J-PARC物質・⽣命科学実験施設
第２ターゲットステーション
概念設計書(2020年2⽉5⽇)
第 1.2 版

著者
相澤 直⼈ 1、⾜⽴ 匡 2、有⾺ 孝尚 3,4、飯尾 雅実 5,6、飯沼 裕美 7、⽯川 喜久 8、⽯⽥ 武和 9、
井上 倫太郎 10、岩本 修 5,11、岩元 ⼤樹 5,11、岩元 洋介 5,11、上野 恭裕 3、遠藤 仁 5,6、⼤友 季哉 5,6、
⼤⼭ 研司 7、岡村 崇弘 5,6、荻津 徹 5,6、奥⼭ ⼤輔 12、鍵 裕之 3、梶本 亮⼀ 5,11、⾦⾕ 利治 5,6、
川北 ⾄信 5,11、河村 成肇 5,6、神⽥ 聡太郎 4、北⼝ 雅暁 13、⽊村 宏之 12、⾦正 倫計 5,11、幸⽥ 章宏 5,6、
⼩松 ⼀⽣ 3、川崎 真介 6、佐々⽊ 憲⼀ 5,6、佐藤 ⼀彦 14、佐波 俊哉 5,6、執⾏ 信寛 15、篠原 武尚 5,11、
柴⽥ 薫 5,11、下村 浩⼀郎 5,6、菅野 未知央 5,6、杉⼭ 純 16、瀬尾 俊 3、瀬⼾ 秀紀 5,6、⽥中 陶冶 3、
⽟⽥ 太郎 17、千葉 敏 10、寺⽥ 典樹 18、⻤柳 善明 13、中沢 雄河 7、中島 多朗 3,4、永⾕ 幸則 5,6、
中本 建志 5,6、南部 雄亮 12、仁尾 真紀⼦ 4、⻄尾 隆 5,11、⻄村 昇⼀郎 5,6、野崎 洋 16、野尻 浩之 12、野村 ⼤輔 5,6、芳賀 勝洋 5,11、萩原 雅⼈ 5,6、林 好⼀ 19、原⽥ 正英 5,11、髭本 亘 5,11、藤⽥ 全基 12、
牧村 俊助 5,6、益⽥ 隆嗣 3、松⽥ 洋樹 5,11、三島 賢⼆ 5,6、三宅 康博 5,6、明午 伸⼀郎 5,11、⼋島 浩 15、
⼭室 修 3、吉岡 瑞樹 15、吉⽥ 誠 5,6、若井 栄⼀ 5,11、和⽥ 道治 5,6、渡辺 幸信 151

東京⼯業⼤学

2

上智⼤学

3

東京⼤学

4

理化学研究所5

J-PARC センター

6

⾼エネルギー加速器研究機構

7

茨城⼤学

8

総合科学研究機構

9⼤阪府⽴⼤学

10

京都⼤学

11

⽇本原⼦⼒研究開発機構

12

東北⼤学

13

名古屋⼤学

14

埼⽟⼤学

15

九州⼤学

16

豊⽥中央研究所

17

量⼦科学技術研究開発機構

18

物質・材料研究機構

19

名古屋⼯業⼤学

1⽬次
１．第２ターゲットステーションの必要性
1-１． はじめに
1-２． MLF の現状
1-３． 国際的状況
1-４． コミュニティの期待

２． 第２ターゲットステーションの概要
2-１． 第２ターゲットステーションのコンセプト
2-２． 計画の概要
2-2-1. サイエンス
2-2-3. コストと建設に要する期間

３．サイエンスケース
3-１．中性⼦科学
3-1-1. TS2における弾性散乱・回折装置提案−磁性・強相関分野を中⼼に−
3-1-2. 偏極中性⼦を⽤いた⽔素存在状態観測装置提案
3-1-3. TS2における振動励起・磁気励起研究提案（固体を中⼼に）
3-1-4. TS2におけるソフトマターサイエンス
3-1-5. TS-2におけるイメージング研究と産業応⽤
3-1-6. TS2における基礎物理
3-1-7. 第⼆ターゲットステーションにおける⾼速中性⼦測定実験室
3-1-8. ⾼圧科学と中性⼦・ミュオン
3-1-9. 「中性⼦による活性サイト科学への挑戦」の提案
3-1-10. TS2における極限環境下の物質科学のための超強磁場環境の構築
3-2. ミュオン科学
3-2-1. TS1におけるミュオン科学の現状
3-2-2. TS2で期待されるミュオン科学の発展

４． 第２ターゲットステーション施設案
4-1．LINAC,RCS 加速器増強
4-2．陽⼦ビームライン

24-2-1. 既存施設の現状
4-2-2. 増強案概要
4-2-3. 概算積算根拠・建設期間
4-3．中性⼦ミュオン源
4-3-1. 既存施設の現状
4-3-2. 増強案概要
4-3-3. 概算積算根拠・建設期間
4-3-4. 運転経費積算
4-4．建屋4-4-1. 既存建家第１ターゲットステーションの現状
4-4-2. 増強案概要
4-4-3. 概算積算根拠・建設期間
4-4-4. 運転経費積算
4-4-5. 段階的建設になる場合のブレークダウン
4-5. 放射化物処理施設

５．施設建設の予算と期間
5-1．施設建設の予算
5-2．施設建設の期間

3

1. 第２ターゲットステーションの必要性
1-1. はじめに
⼤強度陽⼦加速器施設 J-PARC は、⾼エネルギー加速器研究機構(KEK)と⽇本原⼦⼒研究開発機構(JAEA)の協⼒により建設された国際的実験施設である。この中で核破砕中性⼦・ミュオンを⽤いて実験を⾏う物質・⽣命科学実験施設(MLF)は 2008 年に初めて陽⼦ビームを受けるとその約半年後から国際公募により実験課題を受け付け、ユーザー利⽤に供されてきた。その間、東⽇本⼤震災やハドロン実験施設における事故などによる⻑期運転停⽌があったものの、加速器と中性⼦源、ミュオン源の開発により計画最⼤出⼒の 1MW を⽬指して出⼒増強が進んできている。また、中性⼦実験装置とミュオン実験装置の開発と設置も進み、年間 650 課題以上の申請と延べ 1 万⼈に及ぶ利⽤者が来るに⾄っている。
現状の J-PARC
は当初⽬的をほぼ達成し、開発フェイズから利⽤フェイズに移⾏している、と⾔って良い。
そこで J-PARC では新たなコンセプトによる中性⼦・ミュオン源を建設して中性⼦・ミュオンの輝度の⼤幅な増⼤を達成し、MLF では達成できない新たなサイエンスの創出と学術及び産業における利⽤拡⼤による展開を⽬指すために、第⼆ターゲットステーション（2ndTarget Station : TS2）施設の建設に向けての検討を重ねてきた。本稿は、その TS2 の概念設計について述べたものである。

1-2. MLF の現状
MLF は 2008 年 6 ⽉に初ビームを 50 kW で受けて以来、計画最⼤出⼒の 1 MW を⽬指して徐々に出⼒を上げてきた。その過程では、パルス陽⼦ビームの衝撃波による中性⼦標的容器のピッティングの問題や、冷却⽔系の⽔漏れなどの問題があったものの、継続的な R&Dにより解決されて 2018 年現在では 500 kW での定常運転を達成し、更なる強度増強の努⼒が続けられている。
これにより 1 パルス当たりの中性⼦ビーム強度としてはアメリカの SNSを越えるものとなって、名実ともに世界有数のパルス中性⼦実験施設となった。⼀⽅ミュオン標的においても回転標的の開発と設置に成功し、こちらも世界最強の短パルスミュオン
実験施設と⾔える状況に⾄っている。
中性⼦実験装置については 23 本のビーム孔のうち 20 本に設置済みでユーザー利⽤に供されており、また 1 本も 2019 年度のユーザー利⽤開始に向けて調整が進められている。これらの装置の多くは⼤強度短パルス中性⼦実験施設としての MLF の特徴を活かしたものと4

なっており、国際的にも評価が⾼まっている。またミュオン実験装置についても 4 本のビー
ム孔のうち 3 本に設置済みでうち 2 本ではユーザー利⽤が開始されていて、1 本については調整が進められている。
実験課題は 1 年に 2 回のペースで国際公募が⾏われており、毎回 300~350 件ほどの課題が申請されている。そして年間 7 サイクル（約 180 ⽇）の運転により、これまで酸化物超伝導体やタンパク質、地球科学等の基礎科学やリチウムイオン電池、有機 EL 等の新物質開発に繋がる研究、更にはエコタイヤの開発などの産業応⽤まで様々な成果が出ており、利⽤は拡⼤の⼀途にある。

1-3. 国際的状況
加速器中性⼦源によるパルス中性⼦の利⽤の拡⼤の傾向は世界的にも同様であり、むしろ国内よりも拡⼤のペースは速い。例えばアメリカでは SNS が設計最⾼出⼒ 1.4 MW を達成しており、⽇本を数的にも質的にも凌駕する研究成果が出ている。それにより第⼆ターゲットステーション建設計画が具体化してきている。⼀⽅欧州においては計画出⼒ 5 MW を⽬指す次世代加速器中性⼦源の ESS の建設が、2023 年のビーム供給を⽬指して進められている。
更にアジアにおいても中国のパルス中性⼦源施設 CSNS が 2017 年に初ビームを受け、中性⼦実験装置も稼働してユーザー利⽤を開始しようとしている。ミュオンについてはパ
ルスミュオン源と定常ミュオン源のそれぞれの特徴を活かし、世界をまたいだ相補利⽤が進んでいる。特筆すべきことは、中国・韓国・インドネシア・マレーシア等の研究者のミュ
オン施設利⽤が急増していることで、多くの成果を挙げてきている。また最近 J-PARC での負ミュオン利⽤の⼤きな進展をふまえ、ISIS,TRIUMF,PSI といった従来の施設もこの分野拡充のため、MUSE（ミュオン科学実験施設：MUon Science Establishment）を参考にしたビー
ムラインの建設等が進んでいる。さらに⽶国 SNS・中国 CSNS・韓国 RAON では独⾃のミ
ュオン施設の建設・開発が進んでおり⽇本の研究者も協⼒している。

1-4. コミュニティの期待
J-PARC MLF は⽇本の科学コミュニティが初めて持つ世界最強のパルス中性⼦・ミュオン
源であり、これまで不可能と考えられてきた実験課題の実施が可能となっている。それにより基礎科学のみならず産業利⽤においても新たなアイディアによる実験課題の提案が続々となされるようになってきた。しかしながら単位⾯積・時間あたりの中性⼦数（ミュオン数）を放射光のフォトン数と⽐較すれば何桁も下であり、まだ⼗分とは⾔えない。特に⽣命機能5

に密接に関係する⼤型タンパク質の構造解析や、地球深部の物質の状態を調べるための超⾼圧・超⾼温状態における実験、サンプル量が微⼩にならざるを得ない新奇機能材料の動的構造の実験など、MLF を数桁上回るようなパルス中性⼦強度（輝度）を求めるユーザーの声は⼤きい。
産業界も中性⼦/ミュオン利⽤の有効性を認識し始めており、その利⽤への要望は⾼まりを⾒せている。産業界が求めるのは、中性⼦/ミュオンビームの⾼輝度化や装置の⾼性能化はもちろん、製品開発に対応できる迅速な利⽤や適切な利⽤料⾦の設定など産業界にとって利⽤しやすい制度の確⽴である。TS2 建設が⽬指す中性⼦/ミュオン⾼輝度化や「裾野の拡⼤」により産業界からの前者の要望を満たすことはできるが、後者の「産業界にとって利⽤しやすい制度」についてはコミュニティとして別途考えるべき課題である。

・ コミュニティの期待と施設連携
⼤型中性⼦散乱施設としては J-PARC MLF 第 1 ターゲットステーション（TS1）および2020 年 10 ⽉に再稼働が予定されている研究⽤原⼦炉 JRR-3 が存在し、中性⼦科学とその産業利⽤を牽引している。今後 TS2 が建設されても、MLF（TS1+TS2）と JRR-3 の⼤型施設だけでは、学術界での新たな利⽤者の開拓や産業界が要望する迅速な利⽤、さらに随時利⽤は限界があり、⼈材育成も⼤型施設だけでは困難である。このような状況を鑑みると、実⽤のレベルに⼊った⼩型中性⼦源を利⽤したタイムリーな産業利⽤や⼈材育成がコミュニテ
ィの活性化には必要である。⼩型中性⼦源施設のそれぞれの役割の明確化とその連携、さらには⼤型、中型、⼩型中性⼦源の連携が重要であり、連携（ネットワーク形成）に向けた計画を推進する必要性は⾼い。
物質・⽣命科学のコミュニティの観点からは、多彩な研究・開発側⾯を持つ物質科学、⽣命科学の推進が中性⼦とミュオンだけでできるわけはなく、放射光 X 線や陽電⼦などの量
⼦ビーム施設との連携、さらにクライオ電⼦顕微鏡、NMR、計算環境など他の計測⼿段との連携、加えて物質科学・⽣命科学そのものを研究対象とする⼤学、研究機関、企業との連携が極めて重要であり、将来的には物質科学、⽣命科学研究の総合体としてのサイエンスパークの建設が望まれる。

6

2. 第２ターゲットステーションの概要
⾦⾕利治（J-PARCセンター/KEK)、下村浩⼀郎（J-PARCセンター/KEK）

⼤強度陽⼦加速器施設は⾼エネルギー加速器研究機構（KEK）と⽇本原⼦⼒研究開発機構（JAEA）の協⼒により建設され、国内だけでなく国際的に広く利⽤されている。とりわけ中性⼦とミュオンを⽤いて実験を⾏う物質・⽣命科学実験施設（MLF）に関しては、アメリカのSNSやイギリスのRALと並ぶ世界最強のパルスソースとして利⽤が広がりつつある。
SNSでは第2ターゲットステーションの計画が具体化しつつあること、ヨーロッパでは最⼤計画出⼒が5MWのESS計画が進んでいると⾔う現状を考えると、J-PARCにおいても次期計画を検討する必要がある。そこで本計画では新たなコンセプトによる中性⼦・ミュオン源（2nd Target Station : TS2）を建設して中性⼦・ミュオンの輝度の⼤幅な増⼤を達成し、MLFでは達成できない新たなサイエンスの創出と利⽤者拡⼤による展開を⽬指す。
TS2への陽⼦ビーム供給は、現有の加速器を効率的に利⽤する。中性⼦においては、陽⼦
ビーム集束や中性⼦標的とモデレータ及びビーム輸送の最適化などによりMLFの20倍以上の輝度増⼤を達成する。同時に中性⼦標的表⾯から発⽣するミュオンを効率的に取り出すことにより、50倍〜100倍のミュオン強度増⼤を実現する。
これらを⽤いることにより、1 MWのMLFでも測定不可能な中性⼦実験（例えばガン治療や酵素の機能に関係するタンパク質の構造解析や、地球の下部マントルに匹敵する⾼温⾼圧条
件における構造解析、実空間イメージング等）が可能になる。またミュオンにおいては時間分割測定やミュオン顕微鏡が実現できる。これらにより新たなサイエンスの領域を拡⼤するとともに、産業利⽤を含むユーザーの拡⼤によりイノベーションに貢献することが期待できる。

2-1. 第２ターゲットステーションのコンセプト
第2ターゲットステーションでは、中性⼦源とミュオン源を⼀体化した標的系を採⽤することにより、中性⼦輝度で 20倍、ミュオン強度で 50倍〜100倍の増強を実現する。このために、第⼆ターゲットステーション建設に当たり、3 GeVシンクロトロン（RCS）からの出⼒ビームパワーを現在の1 MWから1.5 MW に増強する。また現在の陽⼦ビームライ
ンを3 GeV陽⼦輸送施設（3NBT）において分岐することにより、第1ターゲットステーシ
ョン、第2ターゲットステーションそれぞれに最適な時間構造と繰り返し周波数で陽⼦ビームを供給する。遅い繰り返しとなるTS2では、⻑波⻑中性⼦の有効利⽤が可能となる。

7

2-2. 計画の概要
2-2-1. サイエンス
現在⽇本には J-PARC MLF と 2020 年 10 ⽉に再稼働が予定されている研究⽤原⼦炉が存在し、それぞれの中性⼦源の特徴を活かし、⽇本の中性⼦散乱研究を牽引している。誤解を恐れずにいうなら、MLF は物質のダイナミクス研究を得意とし、JRR-3 は物質の構造研究にその特徴があり、それぞれの棲み分けがなされている。TS2 の建設により、中性⼦の 20倍の⾼輝度化とミュオンの 50~100 倍の⾼強度化によりこれまで MLF（TS1）や JRR-3 では
届かなかった新たなサイエンス展開と裾野の拡⼤が期待できる。同時に、TS2 では、遅いパ
ルス繰り返しにより、⻑波⻑中性⼦の有効利⽤が可能となり、巨⼤分⼦構造の解析や超スロ
ーダイナミクスの測定が現実のものとなる。これら TS2 の特徴を活かした新たなサイエンス展開を学会を通してコミュニティに呼びかけ、多くの提案をいただいた。第 3 章に各々の詳細について述べる。

2-2-2. コストと建設に要する期間
現在、共⽤中の TS1 の運転に対する影響を最⼩化しつつ、かつ予算の最適化をはかる検討が進みつつある。また TS1 の実績をもとに、当時実際に建設に関わった担当者を中⼼として積算を進めている。

LINAC, 3 GeV シンクロトロン増強

3,300,000 千円

新規製作（イオン源、RFQ、DTL1、⾼周波空洞、キッカー等）（→J-PARC 全体の性能向上に関わるため、本予算枠外）
陽⼦ビームライン

3,500,000 千円

新規製作（取り出し部電磁⽯+電源、電磁⽯及び電源、モニター、付帯設備等）
中性⼦ミュオン源

7,000,000 千円

新規製作（標的循環設備、遠隔操作機器、極低温設備、シャッター＆遮へい体等）
中性⼦ビームライン

4,000,000 千円

新規製作（当初ビームライン４本製作）
ミュオンビームライン

4,000,000 千円

新規製作（電磁⽯、電源、付帯設備等）
実験室建屋

4,000,000 千円

陽⼦ビームライン建屋を中⼼として TS1 よりコンパクトな設計を⽬指す。

8

BT 建屋3,500,000 千円

既設陽⼦ビームラインの製作実績より積算
放射化物廃棄施設

4,500,000 千円（→J-PARC 全体の性能向上に関わるため、本予算枠外）

加速器増強および放射化物処理施設を除いた合計

25,000,000 千円（運営費）
2,500,000 千円/年

運転経費

また建設に要する期間は図 2.1 に⽰すように 10 年であり、11 年⽬より共⽤開始となる。

図 2.1：TS2 建設の年次計画

9

3. サイエンスケース
TS2では陽⼦標的とモデレーター及びビーム輸送の最適化などにより中性⼦輝度でTS1の20倍以上、ミュオンを直接要し標的から取り出すことによりミュオン強度50倍以上の増⼤を実現する計画である。これらの増⼤が実現できれば新規測定⼿法の導⼊が進み、1 MWのMLFでも測定不可能であった新たなサイエンスの領域を拡⼤するとともに、産業利⽤を含むユーザーの拡⼤によりイノベーションに貢献することが期待できる。
本提案では計画通り中性⼦輝度20倍、ミュオン強度50倍が達成できたとして可能になる新たなサイエンスケースを中性⼦科学会および中間⼦科学会を通して募集し、それらを集約した。

3-1. 中性⼦科学
TS2ではモデレーター表⾯での中性⼦輝度でTS1の10倍が実現可能であることがシミュレ
ーション計算から⽰されている。さらにTS1では実現できなかった最新の中性⼦輸送技術を応⽤することで20倍以上の中性⼦輝度を得られる想定である。ここで中性⼦の輝度とは中性⼦数をその⾯積と発散で割ったもので中性⼦源の本質的な強さを意味する。
これにより微量試料に対する測定、圧⼒や磁場などの極端条件を⽣成する外場環境の導⼊、偏極中性⼦ビームの⾼度利⽤、中性⼦顕微などが可能となり、中性⼦の⾼い利⽤価値を引き出す環境が構築できる。その結果、⽣体科学、地球科学、材料科学を始めとする物
質・⽣命科学、および、素粒⼦物理学などの基礎科学の⾶躍が期待される。

3-1-1.

TS2 における弾性散乱・回折装置提案−磁性・強相関分野を中⼼に−

⽊村宏之（東北⼤学）、中島多朗（東京⼤学/理化学研究所）、有⾺孝尚（東京⼤学/理化学研究所）、南部雄亮（東北⼤学）、萩原雅⼈（J-PARC センター/ KEK）
、⽯川喜久（総合科学研究機構）、寺⽥典樹（物質・材料研究機構）、奥⼭⼤輔（東北⼤学）(1) 超微⼩単結晶構造解析装置・超極端条件下回折装置
現在 MLF BL-18 で稼働している単結晶構造解析装置 SENJU は、0.5 mm ⾓単結晶による微⼩結晶構造解析、T < 1 K, p ~ 3 GPa, H ~ 7 T の極端条件下回折（構造解析）が既に実現している。中性⼦の輝度が現在の 20 倍になれば、0.2 mm ⾓単結晶での構造解析が可能になる（100 倍なら 0.1 mm ⾓単結晶）。放射光がターゲットとしていた有機系物質や創薬物質などが中性⼦のターゲットになり、量⼦ビームの更なる⾼度相補利⽤が実現する。
超極端条件下回折については、ダイヤモンドアンビルセルなどによる超⾼圧環境やパル10ス磁場による超⾼磁場環境など、多重極限環境下での回折実験・構造解析を実現し、現在電気抵抗などのマクロ測定で探査されている 10 GPa 以上の圧⼒誘起量⼦臨界現象・超伝導などについても中性⼦研究のターゲットとする。更に T < 50 mK の極低温環境も開発・整備
し、量⼦ドットの構造研究などにも展開していく。
装置のコンセプトとしては、SENJU の完全上位互換装置として位置づけられる。

(2) 時分割・顕微回折イメージング装置
1 パルスあたりの輝度が上がることで、従来（~Sub-msec）よりも速い時間軸の時分割測定が可能になる。Pump-probe 法やパルス磁場・電場との組み合わせにより、物質中の過渡過程や⾮平衡状態での結晶構造変化・磁気構造変化を捉えられる。

図 3.1: 時空間階層構造の概念図

現在の研究は、従来の均⼀・無限周期系における結晶・磁気単位胞で規定される構造・ダ
イナミクス研究（理想系の研究）から、界⾯表⾯、ナノ粒⼦、複合巨⼤分⼦、⾮晶質・液体など、ヘテロジニアスな集合体としての構造・ダイナミクス研究（現実系の研究）に広がっている。例えば誘電フェロイック材料では、結晶粒界やドメイン境界が駆動する新奇機能や物性が発⾒されている。そこでは位置と運動量、時間とエネルギーがフーリエ変換で結ばれる従来の関係が⾃明ではなくなり、r, t, q, E の 8 次元を統合的に計測し、理想系と現実系を階層的に繋いでいるパノスコピック・メソスケール領域における時空間構造（図 3.1 に概念図）を明らかにすることが求められている。そのためには中性⼦・放射光・ミュオンなどの量⼦ビームを⾼度に相補利⽤する必要があり、TS2 では、この統合計測に貢献できる装置建11設が求められる。 T. REIMANN et al.
cryomagnet& samplekikf
2 Bragg
DCC

LS

(c)

photograph(d)attenuation image
5 mm

30
15

sample5 mm

0A-phaseconical0.1
helical

B

1.01
1.00

<100>

0.0
27

0.99

FIG. 1. (a) Illustration of the nDI setup (not to scale). The direct
図by
3.2:
Diffractive
Imaging
beam is blocked
an Neutron
MCP; www.nature.com/scientificreports/
only
neutrons Bragg
scattered from the
SkL reach the detector. ϕ designates the rocking angle. (b) Photographof the MnSi disk (sample 1). (c) Neutron absorption image (without
MCP) of sample 1 in its holder measured at T > TC . (d) Sum of 20
neutron images as measured in the SkL-phase for 20 rocking angles−2.5◦ ! ϕ ! 1.3◦ . For these measurements, the MCP was removed.
Because of the normalization with the scattering in the paramagnetic
phase, the signal is purely magnetic. The Bragg spot enclosed in thewhite square was investigated by nDI.

www.nature.com/scientificreports/

0.2

integrated TI
<100>

(b)

I (103 gray levels)

L

B||[100

MCP

28
T (K)

29

TI

D

B

(a) 0.3

MCP

Bext (T)beamlimiterdetector(a) pinhole

PHYSICAL RE

FIG. 2. (a) Magnetic phase diag
the SkL-phase (sample 2, B % [100])
the bending of the SkL inside the sa
demagnetization. Near the edge, the S
over a broader angular range of ϕ.

a mixture of Gd2 O3 and B2 O3 thata lattice constant ahex = 10 µm.
8 µm diameter had been etched,
Because of the composition of thhigh absorption for cold neutron
acts as a thin, well-defined neutro
divergence of 0.23◦ [37].
Before investigating the SkL u
and decay requires an extremely careful consideration of
Figure 1. Experimental ToF 3DND setup. The sample is illuminated by a time-of-flight neutron beam and anized
the (B,T )-phase diagram of sgeometric
effectsforbulk
samples.
imaging detector is installed in transmission geometry. When, at a sample rotation angle ω, a grain satisfies the
Bragg condition, a region of missing intensity(extinctionspot) is visibleintransmission.
The diffracted
beam in MnSi using[Fig.
2(a)]. The phase boundariThenucleation
of
the
SkL
was
studiedforms a bright diffraction spot. In the plot, the laboratory, sample and detector reference systems are denotedd3. Partial and final reconstructions of the Fe sample investigated at SENJU. (a–d) To reconstruct bothby (X , Y , Z ), (X , Y , Z ) and (Y , Z a) respectively.
While the 3D
shape of the1:grainscan be reconstructedusing
derivative
theFourmagnetization
disk sample[samplethicknesst Figure=
2.1
mm,
diametersmall and big grains, extinction spots were divided in four size intervals and processed of
separately.
3Ddare obtained by[Sci.
backprojection:(a) for7,
spots9561
with an area(2017)]
between 100 and 500 pixels, (b) for
extinction spots
uniquely次元中性⼦イメージングの測定概念図と実測データ
determining their orientation requires considering also the location reconstructionsof the
図only,
3.3：3
Rep.
with an area
between 100direction
and 1000 pixels, (c) for spots with an area between 100 and 2000 pixels, and (d)= 9.3mm, Fig.
withcrystallographic[100]
diffraction spots. In real space, this dpositionis determinedby the1(b)]directionof the adiffraction
vector spots
L
,
which
SkL
phase
(dark
red)
is
charact
for spots with an area greater than 1000 pixels. In each reconstruction, different grains are shown in different
connects the centre of mass (CM) of the grain, located by x , with the centre of mass of the related diffraction
colors. (e) The final reconstruction, obtained by3combining the partial reconstructions, consists of 108 grains,) of the sample
normalto intheAreference
smallsystem,
cuboid2:x1of×
1 ×color.1 The
mm
eachmass
represented
in a different
upper part
includes a large
region, probably into the SkL
while
thepowder-like
transition
spot. The relationship between x andthe position,
the disk.
laboratoryof the(sample
centre ofdue to oxidation effects occurred during the sample heating treatment. The powder-like region is reconstructed
3 Radon transform.
the diffraction spot on the detector andplane is
x
=
x
+
L
·
s.
an inversea small flat cube (sample 3: 5 × 2 × using
1 mm, [100] parallela broad peak in dM. The onset
dB
TS2 で実現する微⼩集光ビーム・⾼平⾏度ビーム・⾼偏極度ビームと、⾼い位置分解能を
to the shortest edge) of the same crystal wasusedtodetermine
positionsarerepresented
by thewith R = x + y . ω and α are, respectively, the sample rotation angle at which a given projection has beencollected and the angle, in the sample reference system, describing the position of the centre of mass of the grainthemagnetic
phase
diagrambymeansofmagnetization
meain the x y -plane using polar coordinates. To group the centreof mass points, weselected a region around theand form thecircles,
respectively,
持つ検出器を組み合わせて、物質中の結晶ドメインやそれらの境界をスキャンする顕微回
calculated y = R ⋅ cos(ω + α) curves. The parameters R and α are returned by the Hough transform, which
2π
4π
points in the ωy -space as
curves in the Rα-space.
λ==sin θa. physical properties represents
surementsusing
measurement
systemlight
red.
In order to account for t(6)τk͹  Ǥ Once the extinction spots related to a given grain
are grouped,the 3D shape of the grain
折を⾏い、Sub-mm
領域の逆空間イメージングができる装置にする。最近の研究例[PRB
97,(PPMS,
Design).
The samples
were
cut frommagnetic
fieldsappliedto sampl
can bereconstructedby back-projection.
Different grain shapes
are reconstructed separately
and thenassembled
Contrary to the powder case, where
the Bragg Quantumedge pattern in the
wavelength-dependent
cross section
is inde-wirein a unique volume. If the extinction spots are divided in a number of size intervals and separately processed, sevpendent of the sample orientation, inthesinglecrystal
case
the
cross
sectiondisplays
discrete
Bragg
peaks
at
diseralpartial reconstructions
are obtained.
These are combinedtheirin a final reconstruction
using a Russian-doll-likefactors D
singlecrystals
that
had
been
grown
by
the
floatingzone
methoddemagnetizing
2 aapproach:
if a grain is contained
within a larger grain, it is considered part of it. If two grains from different recontinct wavelengths,(2018)
which depend
the orientation3.2of theに⽰す
crystal with Neutron
respect to the beam.
For textured
materials
202406(R)] on
では、図Diffractive
Imaging法により、磁気スキルミ
structions partially overlap, they are considered as a single entity if the centre of mass of one is positioned insidewith powder-type diffraction patterns,
additional
factor, derived
from the corresponding[27]an angle-dependent
with a typicalresidual
resistivity
ratio(RRR) of 80
scale
of
the
disk
sample(samplethe volumeof the other.
The top of the Fe sample contains a large powder-like region made of crystallites with random orientations,orientation distribution function (ODF) of all crystallites in the sample, has to be added .
due
to oxidation effectsof the oxygen
trapped when sealing
the quartz capsules. While the grains[35].
The flat
have beentoremovedamages
オン格⼦の物質中の空間分布の測定などが実現している。更に、現存の
SENJU
を⽤いて、
following
Eq. (1.6) of Ref. [9] wit
A sample consisting of an ensembleof crystallites
withfaces
random orientation
can bepolishedclassified asprobably
powder-likegivetransmission contrast only for certain (ω, λ) combinations, the powder-like region has a fingerprint thatis recordedof
at theall ω and λ: being formed by randomly oriented crystallites, for each (ω, λ) combination there
if it is not possible to resolve the properties of the individual grains, due to insufficient spatial resolution
introducedbythecutting
process.
withinthe region
CP.gives a
is a number of crystallites which satisfy the Bragg condition.χ
As cona consequence,the powder-likeavailable detector system. Vice versa, a sample can be classified as a polycrystal if at least part of the grains
it con- given by the grains, and its reconstruction
contrast that cannot becomplements the reconstruction of the grains.
図
3.3 に⽰すような 3 次元中性⼦イメージングにより、数百µmの空間分解能で物質中の結tains have size above the spatial resolution.
In thiscase,
the shape
andimplementedorientation of the grainscan, inprinciple,The
powder-like volume isreconstructed by adding, for each projection, all normalized images, rescaling
The
nDI
setup
was
at theANTARESbeamlineA
neutronradiographyof samthesum
andapplyinganinverseRadontransform.
The
resultingimagesarethencombinedina 3D volume
be reconstructed directly and in 3D from a tomographic scan. In general, the flux available at existingneutronby backprojection. The powder-like region is included in the final reconstruction in a way which preserves theat the Heinz
Zentrum(MLZ)[36].
samplesources is lower than for x-rays at synchrotron
sources,Maier-Leibnitz
and the best spatial resolutions
with neutrons
istheworse
shape ofgrains.
The Theuncertainty
in the reconstruction of thepowder-likevolumeis due to thelimited numberTC , the con
in
Fig.
1(c).
Above
晶グレイン分布のイメージングに成功している
[Sci.
Rep.
7,
9561
(2017)]。TS2
ではさらにof considered
projections (48). The partial and final reconstructions of the iron sample are shown in Fig. 3. The
than these achieved with x-rays. As a consequence, a sample region can show a polycrystalline
structure
final 3D reconstructionis also available in the Supplementary Video. The reconstructed powder-like region wellwaslocatedat astudied
distance
L =In8.3
m3DND
fromthe variation in neutron absorptio
when studied with X-rays, and a powder-likestructure whenwith neutrons.
the ToF
casethehere pinhole, and
61-2
桁⾼い空間分解能の実現を⽬指す。
reported,
the grain size that can be resolved
islimited
to
about
200
micrometersbythedetectorsystemused.
thedistance
betweenthesampleand
LiF
scintillator
screenthe SkL phase, small6 additional
For a polycrystalline sample, the transmission signal can be expressed using a sum of discrete single crystal
cross sections, and the number of wasobserved
Bragg
peaks
increases
correspondingly
tothenumbernofgrains
L
=
54
cm.
The
scintillator
light
from
the
absorption
scattering of neutrons by the SkL.
S
上記の多重外場環境・時分割測定・顕微回折を組み合わせることにより、ドメインや境界、intersectedby the beamof the neutrons
wasrecordedusingacharge-coupleddeviceassembly with respect to the vert
(2π )3 N
ヘテロジニアス系における遅いダイナミクス（~msecの時間発展・緩和）の解明も可能にな
σcoh , ela(λ(CCD))=∑|Fhkl|2 δ(Theτ 2 − 2kpinholeτ sin θn , hkl ) . diameter
camera.
D=
18mmyieldsan∑
Bragg condition will be fulfilled(7)
n 2V0kτ hkl
shows
the sum of 20 transmissio
L/D
ratio
of
460.
The
neutronwavelength
λ
=
4.0
Å
was
If the sample consists of both polycrystal regions and powder-like regions, the measured cross section will bea sum of the cross sections given byselected
Eqs (2) and (7).
diskmeasuredat equiangular pos
by
means
of
a
neutronvelocity
selector(bandwidth
When a grain in a polycrystalline sample satisfies the Bragg condition, the contribution to the attenuation
signal is strong enough that missing#λ/λintensity regions(extinction
becomewas
visiblemounted
in transmissionat
mode= 0.1).
Thespots)samplethewithcold finger of a
at T = 28 K and B = 200 mT. Th
sufficient wavelength resolution (see Fig. 1). In the approach presented in this12
article, the 3D shape and the oricryostat
attached
tocorresponding
a normalextinction
conducting magnet
image, and hence all six Bragg spo
entation of the grains within a givenclosed-cycle
sample are calculated
from the distributionof theand diffraction spots among the frames collected by the transmission detector at different rotation angles of thewithBparalleltothesurfacenormal[100]ofthesampleandto the hexagonally aligned Bragg
sample and wavelengths.
The extinction and diffraction spots
are locatedconsidering
signaturetransmission
measureparallel
to bythewave theirvectorki inofthethe
incident
beam. The entire
In contrast to SANS where L &ments, i.e. the “Bragg peaks” in the wavelength and angle dependent scattering cross section. Reconstruction of
setup
could
rotatedbyandϕrotating[Fig.the1(a)].
detector distance (LS = 54 cm) a
the individual grains in 3D is possible
by usinga broadbe
wavelength
range,
specimen to perform
l

l

l

s

s

s

d

d

Lab

l

l

d

d

l

Lab

2
CM

2
CM

s s

d

d

11

36, 3712, 13SCIENTIFIC REPORTSȁͽǣ 9561 ȁ ǣͷͶǤͷͶ͹;ȀͺͷͻͿ;ǦͶͷͽǦͶͿͽͷͽǦ

14

7

a tomographic sampling. Furthermore, orientation mapping and indexing of the individual grains can be deter-る。
磁性・強相関分野から提案する中性⼦回折イメージングを⽤いたサイエンスは、3-1-5 節で述べられる先進的イメージング技術が適⽤される研究対象の⼀つでもある。 TS2 で期待される平⾏性と輝度が⾼いビームを利⽤しつつ、イメージングの技術開発と協調した装置
設計、及びそれを⽤いたサイエンスの展開を⽬指す。

(3) 局所構造・短距離構造解析装置
相関チョッパーを導⼊し、結晶からの散漫散乱を⾼い S/N で検出する。これにより、局所構造解析や短距離構造解析を実現する。上記 (1)、(2)との相補利⽤により、物質の空間階層
構造、局所構造〜平均構造〜⻑周期構造（不均質構造）を統合的に明らかにする。

(4) ⾼偏極度ビームを⽤いた磁性研究
⻑波⻑領域（1-7 Å）における⾼偏極度ビームを備え、上記(1)〜(3)と組み合わせることで、磁性研究への展開を図る。局所・平均磁気構造から磁気ドメインやナノ磁性粒⼦、物質中のスピンが持つ階層構造やスローダイナミクスを明らかにする。
更に低エネルギーで⾼平⾏度の偏極ビームに⾼い位置分解能を持つ時間分解型⼆次元検出器を組み合わせることで、反射率測定を可能にし、薄膜材料の磁性へと研究対象を広げたい。

(5) 必要な装置・開発要素
微⼩結晶による回折実験には⾼いビーム集光技術が必要である。また、顕微回折実験の実
現には、数⼗µm 以下の空間分解能を持ち、検出効率の⾼い検出器の開発が必要である。10
GPa を超える⾼圧環境実現のための圧⼒セルの開発も必要である。磁性研究の充実のためには、現状の SENJU が 1st フレームでカバーする波⻑領域（0.4-4 Å）よりも⻑波⻑領域（17 Å）をカバーする必要がある。磁性研究のための⾼偏極デバイスの開発も必要である。

13

3-1-2. 偏極中性⼦を⽤いた⽔素存在状態観測装置提案
⼤友季哉（J-PARC センター/KEK）、⼭室修（東京⼤学物性研究所）、
川北⾄信（J-PARC センター/ JAEA）(1) ⽔素が関与する多様な物性や機能
超伝導やイオン伝導を初めとして⽔素が重要な役割を果たす物性や機能が応⽤⾯も含めて拡⼤している。超伝導においては、LaH10 の室温超伝導が記憶に新しいところであるが、未確認ながら、パラジウム⽔素化物で 50 K での超伝導が発現し、準安定なサイトに⽔素が位置するからではないかとの報告がある[1]。イオン伝導に関しては、⽔素がヒドリドとして電気伝導に寄与する物質も⾒出されている[2]。融点が⾼い理由や 4℃で密度が最⼤になる理由といった古くからの謎が解かれていない⽔においても、⽔素のダイナミクスの観測と解析が重要である。微量な⽔素が引き起こす脆性のメカニズムも未解明である。これら⽔素が重要な役割を果たす物質における機能や物性の発現機構を明らかにする
上で、⽔素の位置、振動状態、結合状態、拡散などを包括的かつ精密に観測することは極めて重要である。⼀⽅で、陽⼦ 1 個、電⼦ 1 個からなる⽔素の全体像を観測することは容易ではなく、中性⼦、X 線、ミュオン、ラマン、NMR、核反応法、計算科学等の複数の⼿法を組み合わせることが必要となる。中性⼦は、⽔素（陽⼦）の位置・拡散・緩和・振動状態の観測に適しており、特に⽔素の協同的ダイナミクスの観測は中性⼦の独壇場と思われる。

図 3.4： X 線⾮弾性散乱データより得られた⽔の van Hove 関数 [5](2) 偏極中性⼦を⽤いた van Hove 関数の導出
軽⽔素は、⾮常に⼤きな⾮⼲渉性中性⼦散乱断⾯積を持ち、ほかの元素と同程度の⼲渉性
中性⼦散乱断⾯積を有している。重⽔素は、⾮⼲渉性散乱断⾯積が⼩さく、⼲渉性散乱断⾯積が⼤きい。軽⽔素の⾮⼲渉性散乱断⾯積は⾃⼰散乱を観測する上では⾮常に適しているが、個別散乱の観測上は“ノイズ”となっている。偏極中性⼦を⽤いて、⼲渉性散乱と⾮⼲渉性散乱の分離を⾏うことが可能であり、中性⼦強度が⼤きければ、⾮弾性散乱における⼲渉性と⾮⼲渉性の分離に必要な統計精度を得ることが可能となる。測定した S(Q,E)は、Dynamical PDF[3]や Mode Distribution Analysis[4]などによる時空間相関関数（van Hove 関数）14の導出により、⽔素の拡散や協同的ダイナミクスの観測が可能となる。X 線⾮弾性散乱による⽔の van Hove 関数についてはすでに報告があるが（図[5]）、中性⼦による⽔素の van Hove関数の導出が必要である。また、単⾊偏極中性⼦を⽤いた測定による⾮⼲渉性散乱の除去による精度の⾼い静的構造因⼦ S(Q)と、⽩⾊⾮偏極中性⼦を⽤いた広い Q 範囲の S(Q)を測定することで、静的な構造モデルの構築が可能となる。

(3) ⾮弾性散乱測定と回折測定の両⽴
準安定状態での⽔素の存在状態を測定するため、偏極中性⼦を⽤いた⾮弾性散乱測定と回折測定、⽩⾊⾮偏極中性⼦を⽤いた回折実験を同⼀の装置で⾏えるようにする。メインは、エネルギー分解能が散乱⾓に依存しないように、直接配置型の⾮弾性散乱装置として、
試料-検出器間距離（L2）⼀定の検出器配置とする。また、⾮弾性散乱に使⽤するエネルギ
ーは、中性⼦ビーム集光や偏極中性⼦を効率的に⾏えるエネルギーに特化する。直接配置型とすることで、⽩⾊中性⼦による S(Q)測定の選択を容易にする。⽔素の S(Q)測定の検出器
配置としては、線源-試料間距離（L1）に対して L2 が短い⽅が有利という検討もあり[6]、L1 を⻑くとることで、適切なエネルギー分解能での S(Q, E)測定と S(Q)を両⽴可能な装置設計は可能と考えている。輝度の⾼い中性⼦を⽣かし、最適パラメーターを検討する。

(4) 試料核偏極技術
光励起三重項電⼦スピンを使⽤した動的核偏極 (Dynamic Nuclear Polarization: DNP) により、室温付近でも試料中⽔素の核偏極を⾏うことが可能になっている。試料中の⽔素の核偏極率をコントロールすることで散乱⻑を変化させることができれば、⽔素周りの部分局所
構造や部分ダイナミクスの導出が原理的に可能である。しかしながら、ペンタセンのような偏極源をドープする必要があり、現状では DNP を適⽤できる試料は限定的である。核偏極技術の⾼度化も視野に⼊れつつ、⽔素存在状態観測装置の検討を進める。

[1] H.M. Syed et al., e-print arXiv:1608.01774.
[2] G. Kobayashi et al., Science, 351, 1314-1317 (2016).
[3] T. Egami and W. Dmowski, Z. Kristallogr., 227, 233-237 (2012).
[4] T. Kikuchi et al., Phys. Rev. E, 87, 8 (2013).
[5] T. Iwashita et al., Science Advances, 3 (2017).
[6] K. Suzuya et al., Journal of Neutron Research, 13, 123-128 (2005).

15

3-1-3. TS2 における振動励起・磁気励起研究提案（固体を中⼼に）
中島多朗（東京⼤学/理化学研究所）、南部雄亮（東北⼤学）、益⽥隆嗣（東京⼤学）、
梶本亮⼀（J-PARC センター/ JAEA）、有⾺孝尚（東京⼤学/理化学研究所）

中性⼦を⽤いた振動・磁気励起の研究⼿法としては⾮弾性散乱、スピンエコー、時分割回
折の三種類がある。
その中で最も⼀般的な測定が⾮弾性散乱である。⾮弾性散乱は、物質に中性⼦を照射して電⼦スピンや原⼦核の運動に基づく準粒⼦を⽣成・消滅させ、その際の移⾏エネルギーと移⾏運動量を検出する⼿法である。さらに、⼊射および散乱中性⼦のスピンの情報を得ることにより、移⾏⾓運動量を検出することもできる。
TS2 における⾼い輝度は、TS1 と⽐べて、移⾏エネルギーと移⾏運動量の分解能を向上させることが可能となる。また、特に強度の⾶躍的な向上が⾒込める⻑波⻑領域では、集光ミ
ラー等の中性⼦光学系の設計が容易となる。したがって、⾼輝度線源との組み合わせにより⼩径ビームを⽤いた測定が可能となり、これまで導⼊が難しかった超⾼圧、電流、光等の特殊な試料環境の導⼊が容易となる。また、スピン偏極素⼦の設計を容易にし、精度の⾼いス
ピン偏極⾮弾性散乱実験を可能にする。このように、⾮弾性散乱イベントデータが質・量両⾯において向上することで、画期的な先端研究を可能とする。
スピンエコーに関しては、TS2 で強度の上がる⻑波⻑ビームを利⽤することで、マイク
ロ秒オーダーのフーリエ時間での測定が可能となる。
以下に、TS2 において新しい展開が期待できる振動励起・磁気励起の研究例を⽰す。な
お、時分割回折については、TS2 で⾏うべき実験とは⾔えないと判断し、ここでは割愛している。

(1) 極限環境下の振動励起・磁気励起研究
⾼い集光ビームの利⽤により、試料空間が⼩さい極限環境下での⾮弾性散乱実験が可能となる。例えば、⾼圧⼒下で実現する量⼦臨界点の近傍における振動励起や磁気励起の観測
は、量⼦臨界現象に伴う物性の変化をミクロな視点から理解することに貢献する。磁場下で出現する特異な磁気状態における磁気励起の観測は、準粒⼦構造を明らかにし、⾮⾃明な現象の理解に貢献する。
【必要となる装置・開発要素】
極限環境を実現するためには、試料周辺に多くのものを配置する必要がある。そのため、試料から散乱されてそれらの障害物の影響を受けずに検出器に到達する中性⼦は⾚道⾯内に散乱されるものにほぼ限定される。これを有効に検出するためには、⼊射中性⼦を⽩⾊と16して散乱中性⼦を分光結晶によりエネルギー分解するタイプの分光器（下図）が考えられる。分光結晶をホイスラーとすれば、散乱中性⼦のスピン分解を⾏うことも可能である。なお、この型の分光器では、下流にもう 1 台の簡易分光器を設置することでビーム資源を有効に利⽤できる。

図 3.5：多重アナライザと 2 次元検出器の組み合わせによる分光器により極限環境下における⾼効率⾮弾性測定を⾏う。その後段に簡易三軸分光器を設置すれば、主要分光器を透過した中性⼦を利⽤して簡易散乱実験を⾏うことも可能となる。

(2) パルス磁場を利⽤した超強磁場中の振動励起・磁気励起の研究
物質の磁気励起の磁場依存性の研究には、磁場中の⾮弾性散乱が⾏われてきた。現在は定常磁場を⽤いているため磁場強度の上限は 10 テスラ程度であるが、中性⼦の輝度とパルス磁場の繰り返しが向上すれば、パルス磁場中の⾮弾性散乱実験も可能になり、磁場の上限は数倍上昇する。フラストレーションスピン系や低次元量⼦スピン系などではしばしば強磁場中で特異な磁気相がみられる。その磁気励起を調べることでその磁気相のエネルギー構造を明らかにすることが可能となる。また、振動励起から結晶格⼦の不安定性を調べることも可能である。
【必要となる装置・開発要素】
パルス強磁場の繰り返しがどれだけ短時間にできるかが、この測定の成否の鍵を握る。
試料空間を⼩さくすることは、その観点からも有利に働く。

(3)スピン流の直接検出
スピン⾓運動量の流れをスピン流（図 3.6）と称し、これを情報伝達や電流・光・熱流などとの変換に使おうという研究が盛んに⾏われている。例えば、スピン流が直接関与する物

17

理現象として、スピンホール効果、逆スピンホール効果、スピンゼーベック効果などが明らかにされてきた。現在、スピン流の検出は主にスピンホール効果を⽤いて⾏われているが、原理的にはスピン偏極中性⼦の⾮弾性散乱による直接的な検出が可能である。電流、光、⼒
学的刺激などとの組み合わせにより、研究の⾶躍的な進展が⾒込まれる。また、試料の表⾯や端のみを流れるスピン流（Damon-Eshbach マグノンモードやトポロジカルマグノン等）についても、直接検出できる可能性が出てくる。
【必要となる装置・開発要素】
⾮弾性散乱装置に、中性⼦発⽣源のパルスに位相を含めて同期させた外部刺激を試料に与えることのできる環境を組み込むことが必要である。電流や⼒学的刺激については特に⼯夫はいらないが、光については中性⼦発⽣源と通常のパルスレーザーとではパルス幅が何桁も異なることから、開発要素を伴う。また、散乱中性⼦のスピン解析に関するさらなる技術開発が望まれる。

図 3.6：スピン波によるスピン流。逆向きに進むスピン波との差がスピン流となる。そのほか、電気伝導体では、スピン偏極した電流もスピン流を伴う。

(4) サブミリ eV の磁気励起の研究
100 GHz 帯の応答はデバイス開発の観点から重要な領域であるが、pump-probe 測定以外にはこれといった良い観測⼿法がない。この領域の磁気応答やプロトンの運動を⾼いエネ
ルギー分解能で測定することは、物質科学・材料学・⽣物学において重要である。
⾼輝度冷中性⼦を⽤いた⾮弾性散乱は、その有⼒な⼿法となるだけでなく、良い運動量分解能を持つ点で将来性が⾼い。
【必要となる装置・開発要素】
⼊射中性⼦の平⾏ビーム化と⾼エネルギー分解能化をどのように実現するかが問題となる。⾼い輝度を利⽤するとダブルチョッパーや分光器を⽤いたエネルギー選別機構がさらに有効になる可能性もあり、検討する価値がある。

18

(5) サブマイクロ eV の低エネルギー励起
マイクロ秒オーダーのフーリエ時間でのスピンエコー測定によりサブマイクロ eV の励起の測定が可能となる（図 3.7）
。現状では、この時間領域の励起を測定する実験⼿段は波数が事実上ゼロであるものに限られている。しかし、ソフトマターだけでなく磁性体の研究においてもこの時間領域で 0.01~1 A-1 の波数を持つ励起への興味は⼤きく、この領域のスピンエコー測定を開発する意義は⼤きい。

図 3.7：（左）移⾏エネルギー（縦軸）と移⾏運動量（横軸）に着⽬したさまざまな測定⼿法の⽐較。TS2 におけるスピンエコー測定は図の未開拓領域の励起を明らかにする⼿法となる。
（右）三⾓磁性体 NiGa2S4 における低エネルギースピン励起の温度依存性。Y. Nambu etal., Phys. Rev. Lett. 115, 127202 (2015)より引⽤。TS2 では、よりエネルギー分解能の⾼い測定が可能となる。

3-1-4. TS2 におけるソフトマターサイエンス
遠藤仁（J-PARC センター/ KEK）、井上倫太郎（京都⼤学）、⽟⽥太郎（QST）
ソフトマターとは、柔らかい物質の総称であり、液晶や⾼分⼦、エマルジョン等のコロ
イド、⽣体膜・タンパク質・DNA 等の⽣体物質など、⾮常に多様性に富む物質科学分野を内包している。特に、これらの物質は構成する単位が複雑且つ広い空間スケールに及ぶ階層構造を持ち、その内部⾃由度も⾮常に⼤きいことが特徴として挙げられる。中性⼦散乱は、
⼩⾓散乱・後⽅散乱・スピンエコー測定が⾼分⼦の構造とダイナミクスに関する研究に多く⽤いられ、⾼分⼦科学の発展に⼤きく寄与したのを契機とし、その後、研究対象をコロイド
や⽣体物質等の広範な物質群に拡げた。また最近では、中性⼦結晶構造解析・中性⼦⼩⾓散乱・中性⼦スピンエコー法により、タンパク質の機能発現の機構解明という観点からの研究が進展している。

19

TS1 において、中性⼦後⽅散乱分光装置（BL02）・タンパク質結晶回折装置（BL03）・
中性⼦スピンエコー分光器（BL06）・中性⼦⼩⾓散乱回折装置（BL15）・⽔平型中性⼦反射率計（BL16）の５台の装置[1]が主にソフトマター研究に⽤いられているが、中性⼦スピ
ンエコー分光器と中性⼦⼩⾓散乱回折装置は、固体物理とソフトマターの両分野に対応できる仕様である為、TS1 が 1 MW (full power) に到達したとしても、世界最⾼性能である ILLの D22 (中性⼦⼩⾓散乱回折装置) と IN15 (中性⼦スピンエコー装置) に⽐肩する程度に留まる。タンパク質結晶回折装置では、測定に時間を要することからビームタイムが慢性的に不⾜しており、最近主流になっている結晶構造が 250 Å を超えるような⼤型の膜タンパク
質や超分⼦複合体の測定に対応していないという問題も明らかになりつつある。また、⽣化学的に興味深い機能を有するにも関わらずサンプル量が極めて少ない (濃度にして 1
mg/mL 以下、体積にして 100 µL 以下) 試料に対して、ビームを絞ることが困難である中性⼦散乱実験は、TS1 でも実施が困難であるのが現状である。TS2 においては、繰り返し周期の低減化やモデレーターの性能向上による⻑波⻑中性⼦の効率的な利⽤が期待されており、これに、TS1 で開発が進む最新の集光ミラーを融合することで微⼩試料測定を可能とする等、世界最⾼性能を有する中性⼦散乱装置の設置が強く期待される。
以下、TS2 に設置するのが望ましい 3 台の装置（中性⼦⼩⾓散乱装置・中性⼦スピンエ
コー装置・中性⼦タンパク質結晶構造回折装置）について、必要な性能と展開されるサイエンスを述べる。

(1) TS2 における中性⼦⼩⾓散乱装置とその利⽤
・ TS1 の現状と TS2 における装置性能
TS1 の BL15 に設置されている中性⼦回折装置「⼤観」は、⼩⾓散乱だけではなく、広⾓の同時測定が可能であり、中性⼦⾶⾏時間法との組み合わせにより、⼀度の測定で広い空間
領域の情報が得られるところに特⾊がある。しかしながら、通常の測定では、例えば散乱強度の低い希薄タンパク質溶液試料に対しては⼩⾓極限 Qmin = 10-2 Å-1 となっており、これは世界標準の中性⼦⼩⾓散乱装置 (Qmin ≈ 10-3 Å-1) と⽐較して⼀桁⼩⾓分解能が低い状況となっている。この制約により、研究対象の制約を受けているのが現状である。TS2 においては、繰り返し周期の低減化により、試料-検出器間の⻑尺化を可能とし、Qmin ≈ 10-3 Å-1 の装置を建設することが必要と考える。このことにより、TS1・BL15 との相補的な運⽤が可能となり、MLF 全体としの研究対象として広範なサイエンスを網羅することが可能となるであろう。
更に、最新の中性⼦光学素⼦、特に TS1 において開発が進められている集光デバイスをビーム輸送に積極的に採⽤することで、ビーム強度を損なうことなくその試料照射サイズ

20

を⼩さくすることが可能となり、測定に必要な試料量を劇的に減少させることを実現させるべきである。

・ TS2 で展開するサイエンス
集光素⼦を⽤いた⼩⾓散乱装置が実現できた場合、微⼩試料を⽤いての実験が可能となり、また、Qmin ≈ 10-3 Å-1 とすることで、例えば試料調製が困難である⼤型タンパク質や真核⽣物内に含まれるタンパク質と DNA の複合体であるクロマチンなどの⽔溶液中の構造解析の研究などの現時点では実⾏困難である研究の実現が予想される。また、中性⼦⼩⾓散乱において最も魅⼒的な測定⼿法としてはコントラスト変調法が挙げられる。旧来では、主に溶媒の重⽔素化率を制御することにより実施されてきたが、近年の重⽔素化技術の向上
により溶質 (サンプル) ⾃⾝の重⽔素化を制御できるようになりより⾼度なコントラスト変調法が実施できるようになった。また、近年では多数のドメインから構成される所謂マルチドメインタンパク質のある特定部分のみの選択的な重⽔素化を実現する (特定の部分のみの可視化) ドメイン
ライゲーションなどのより⾼度に制御した重⽔素化技術なども始められつつある。しかしながら、通常の重⽔素化においても現状においては最低でも 1 mg/mL、 300 µL 程度の試料量が要求されるため、機能において重要な役割を果たす
⽣体試料 (通常、そのような試料は発現量も極めて限られる

図 3.8 ：D22 で稼働している SEC-SANS 装置。[N. T.
Johanse et al., Acta. Crtst. D
74, 1178 (2018)から転載]場合が多い) の測定を著しく制限している。
試料の量を劇的に (最低でも現状の⼩⾓ X 線散乱程度の 1/10) 減らすことで、重⽔素化⽀援による⽣体試料の精緻な構造解析研究が進展するであろう。また、⾮常に構造的に不安定な試料であってもサイズ排除クロマトグラフィー (SEC) と連携した SEC-SANS により、多成分系における注⽬する特定成分の部分構造の解明に繋がることを強く期待する。

(2) TS2 における中性⼦スピンエコー装置とその利⽤
・ TS1 の現状と TS2 における装置性能
TS1 の BL06 では、ビームラインを２つに分けることで２台の型の異なる中性⼦スピン
エコー分光装置（MIEZE 型及び NRSE 型）を建設している[2]。この装置は、世界的にも余り実⽤例のない共鳴スピンフリッパーを使⽤したもので、建設当初は技術的開発要素が⾮
常に⼤きいものであったが、最近、実⽤化の⽬処が付来つつある。特に、世界に先駆けて開発中の⼤型回転楕円体中性⼦集光スーパーミラー[3]は、中性⼦スピンエコー法における位21

相補正に⽤いるのが主⽬的であるが、同時に中性⼦強度及び⾓度分解能を向上させる機能をも有する。この素⼦の開発は順調であり、BL06 における２台の中性⼦スピンエコー装置
は、世界的に独⾃性の⾼い装置として注⽬されつつある。しかしながら、⼀つのビームライ
ンを２分割したことで、ビーム強度と配置の制約を受けており、TS2 においては、中性⼦源と回転楕円体中性⼦集光スーパーミラーの配置を最適化することで、効率の良い中性⼦ビーム輸送系を構築し、世界最⾼性能の MIEZE 型装置と NRSE 装置の２台を独⽴したビームラインに設置する事を提案する。その事によりガイド管の出⼝で現状のビーム強度の２倍以上を想定する。エネルギー分解能に関しては、⻑波⻑中性⼦を効率よく使⽤する事で、NRSE 型の装置で最⼤フーリエ時間 200 ナノ秒以上（BL06 NRSE の最⼤フーリエ時間は現
状では 100 ナノ秒程度を想定）を⽬指す。また、ビーム輸送系に回転楕円体中性⼦集光スー
パーミラーを⽤いる事は、「中性⼦ビームの輝度」を他の全ての装置設計において積極的に取り⼊れる事を可能とし、中性⼦源の設計にも影響を与えるという事を付記しておく。

図 3.9：開発中の回転楕円体中性⼦集光スーパーミラーの図[Hosobata et al., JPS Conf. Proc. 22, 011010 (2018)からの転載.]

・ TS2 で展開するサイエンス
TS2 における中性⼦スピンエコー測定を⽤いたソフトマターサイエンスは、スローダイ
ナミクス研究に注⼒するべきで、パルス中性⼦源の特性を活かし、最⼤フーリエ時間 200 ナ
ノ秒程度の測定を⾼効率で⾏う事を⽬指す。中性⼦スピンエコー法は、⾼分⼦やタンパク質のダイナミクス研究に対して、時空間情報をナノメートル及びナノ秒の分解能で測定可能な、極めて決定的な実験⼿法であることが、特に⾼性能の装置を有する欧州で⽰されてきた。⽇本はその点では遅れをとっているが、TS1 での装置開発が進むにつれ、その現状は変わっていくであろう。TS2 では、パルス中性⼦源と最適に融合した中性⼦スピンエコー分光器を設置し、世界の先頭に⽴つ事を⽬標とする。また、展開されるサイエンスとして、これ

22

までの未解決問題であるガラス転移をはじめ、⾼分⼦レオロジーの諸問題や、タンパク質機能解明などが考えられ、⽇本には多くの優れた研究者がいるが、中性⼦散乱を⽤いての研究
例は残念ながら⾮常に少ない。TS2 においては、「少ない試料」で「S/N の良い」、「⻑フーリエ時間」の中性⼦スピンエコー測定を可能とし、中性⼦スピンエコーを標準的な測定にすることが望まれる。
また、時分割測定や、外場に対する物質の応答に関する、いわゆる⾮平衡・開放系における中性⼦スピンエコー測定は、未だに⼿付かずの状態である。これはパルス中性⼦と融合する事で初めて中性⼦スピンエコー測定で可能になる事であり、TS2 で挑戦しなければな
らない課題であろう。

(3) TS2 における中性⼦タンパク質結晶構造回折装置とその利⽤・ 中性⼦散乱におけるタンパク質結晶構造解析の現状
タンパク質は、⽣命活動において中⼼的な役割を担う⽣体⾼分⼦である。そのため医療・環境・資源などの産業とも深く関わっている。医療においては医薬品そのものとして、環境においてはその浄化に、資源としては⽔素やレアメタル確保のための重要な材料として重要な商品となる。その中でも医薬品としてのタンパク質は、世界的な戦略商品としての地位を確⽴している。
タンパク質の精緻な機能の発現には、その⽴体構造が深く関与している。タンパク質の機能は、微視的にはタンパク質を構成する⽔素原⼦の移動や溶媒として存在する⽔分⼦との相互作⽤によって発揮される。タンパク質を構成する約半数の原⼦は⽔素原⼦である。⽔素
原⼦は質量数が１であり、タンパク質の全質量への寄与は⼤きくないが、⽔素原⼦の vdW
半径は 1.2 Å であり、これは炭素原⼦(1.72 Å)の約 2/3 であるため、タンパク質の構成原⼦の半数を占める⽔素原⼦のタンパク質の体積への寄与は、全体積の 25%を超える。従って⽔素原⼦は、タンパク質の⽴体構造形成と機能発現に関わる⾮共有結合性の分⼦間相互作⽤を把握する上では⼤きな量となる。
既にタンパク質⽴体構造データベース(Protein Data Bank :PDB)には、14 万件を越える⽴体構造が登録されている。その解析対象となるタンパク質の分⼦量は 5,000〜500,000 またはそれ以上と広く分布している。タンパク質研究において、膜タンパク質や超分⼦複合体などの⽴体構造解析に基づく⽣命機能の解明は、現代の⽣命科学研究におけるいわゆる「花形領域」である。2017 年にクライオ電⼦顕微鏡の開発がノーベル化学賞を受賞したことは記憶に新しいが、その本格稼働により、より⼤型の膜タンパク質・超分⼦複合体に関する研究が今後ますますタンパク質研究の中核を担っていくことが予想される。そこで、X 線・NMR・
クライオ電顕に続く最後のピースとして中性⼦装置を整備し、膜タンパク質・超分⼦複合体

23の⽴体構造を⽔素原⼦を含む全原⼦状態で明らかにし、他の⼿法から得られた情報を組み合わせた相関解析により、精緻なタンパク質の機能の全容を⾼精度に解明することが、今後の⽣命科学研究に必要不可⽋であると考える。

・ TS1 の現状と TS2 における装置性能
中性⼦により構造決定された⽣体⾼分⼦の構造総数（PDB 登録数）は 151 であるが、TS1の BL3 に設置されてある中性⼦回折装置（iBIX）を⽤いた解析例は 5 つである。iBIX が低分⼦結晶併⽤かつ産業利⽤⽬的の装置である点を考慮しなければならず、今後の加速器出⼒の上昇・安定に従って、解析例の増加が期待されるが、iBIX が対応可能な結晶格⼦⻑は135 Å3 であり、PDB に登録された結晶構造解析数（X 線、中性⼦、および電⼦線）の約 65％に過ぎない。この現状は世界を⾒渡しても⼤きくは変わらず、現在最も⼤きな格⼦⻑への対応可能な回折装置（SNS に設置された MaNDI）においても 200 Å 程度であり、⼤型の膜タ
ンパク質・超分⼦複合体に対応できる中性⼦回折装置は国内外問わず存在していない。
そこで、TS2 では⼤型のタンパク質分⼦（250 Å を超える⼤型の結晶格⼦）由来の微弱なシグナルを正確に検出・分離し、⾼精度構造決定を可能とする装置が望まれる（試料位置でのフラックスは TS1 に⽐べて 10 倍程度あることが望ましく、短いパルス幅もしくは 100 mを超える L1 が必要となる）。現在、ESS において⼤型格⼦対応の回折装置の設置準備が進んでおり、SNS の第 2 標的ステーションにおいても同様の計画が浮上している。⽣命科学分野における我が国の国際競争⼒の維持・強化という点においても、⽴ち遅れるわけにはいかない。

・ TS2 で展開するサイエンス（具体例：光合成系 II 複合体の機能制御機構の解明）
⽣命に必須の分⼦状酸素は植物や藻類による光合成反応によって⽣産されており、この酸素発⽣反応は 20 個のサブユニットからなる 350 kDa の複合体が 2 量体化した光化学系 II複合体（PSII）によって触媒される光エネルギーを利⽤した⽔の分解反応である。神⾕、沈らはこれまで低い分解能でしか解析されていなかった PSII 複合体の⽴体構造を 1.9Å という⾼分解能で明らかにし、4 個の Mn と 1 個の Ca が 5 個の O によって結び付けられた酸素
発⽣触媒「Mn4CaO5 クラスター」の各原⼦位置を特定し、⾦属イオンをつなぐオキソ結合を形成している酸素原⼦の価数と位置を初めて明らかにした[5]。 さらに、酸素発⽣の基質となる⽔分⼦やプロトンチャネルの形成に関わる⽔分⼦の特定にも成功した。これによって、⽔分解反応からの分⼦状酸素の産⽣と、その反応に伴うプロトン排出を制御する⽔素結合
ネットワークの原⼦レベルでの理解が深まった。しかしながら、⽔分⼦の正確な挙動や、⽔
素結合ネットワークの詳細を知るためには⽔素原⼦の直接観察が必要不可⽋である。また、24

量⼦効果を考慮した分⼦動⼒学計算により、Mn4CaO5 クラスター及びその周辺構造のプロ
トン化状態が提案されているが、あくまで予測に過ぎない。よって、PSII の結晶格⼦（最⻑で 286 Å）に対応する新たな中性⼦回折装置を整備し、同装置を利⽤した中性⼦構造解析により、⽔素原⼦も含めた全原⼦構造情報に基づき、PSII の⽔分解・酸素発⽣機構の詳細を解明することを⽬指す。得られた成果は基礎科学的に重要であることはもちろん、将来的な⼈
⼯光合成の研究・開発に対する基盤を提供することが期待される。

図 3.10：光化学系 II 複合体の全体構造（左）と活性中⼼（右）参考⽂献[1] K. Nakajima et al., Quantum Beam Sci. 1, 9 (2017).
[2] M. Hino et al., Physics Procedia 42, 136 (2013).
[3] T. Hosobata et al., JPS Conf. Proc. 22, 011010 (2018).
[4] N. T. Johanse et al., Acta. Crtst. D 74, 1178 (2018)[5] Y. Umena et al., Nature 473, 55 (2011)

3-1-5. TS2 におけるイメージング研究と産業応⽤
篠原武尚（J-PARC センター/JAEA）、野崎洋（豊⽥中央研究所）、
⽯⽥武和（⼤阪府⽴⼤学）

中性⼦イメージングは中性⼦の持つ物質透過能⼒の⾼さ、軽元素に対する感度の⾼さから、重要な⾮破壊での物質内部形状観察技術と認識されている。これまでの主な利⽤⽅法
は、原⼦炉等の定常中性⼦源からの⽩⾊中性⼦を⽤いた透過像撮像であったが、中性⼦画像
検出器やデバイスの⾼性能化、⼤強度パルス中性⼦源施設の実現等により、単⾊中性⼦での撮像や中性⼦エネルギー/波⻑依存性を利⽤した撮像（エネルギー分析型イメージング）等

25

の新しい観察技術が実現し、単なる形状観察だけでなく、結晶組織情報、原⼦核種・温度情
報、磁場情報、位相・⼩⾓散乱情報の空間分布の定量評価が可能となった。このため、中性⼦イメージングは、観察対象の透過撮像による観察技術から、物理的・化学的情報を実空間で可視化し、直感的な理解に繋げる技術へと変わりつつある。
中性⼦イメージングはエネルギー関連材料・機器、鉄鋼・⾮鉄⾦属・コンクリート等の構造材料、植物・⽔系物質、⽂化財・考古学試料等の貴重試料、産業機器、その場・稼働状態
での観察などの幅広い分野で利⽤されているが、技術的な観点での将来の展開として最も期待されるのは⾼空間分解能化と撮像時間の短縮である。産業応⽤の観点からも、現在の放射光を利⽤した材料の局所構造解析と中性⼦による広範囲の平均構造解析の中間に位置するどちらのプローブからもアクセスが困難な空間スケール（数 10 µm から 1 mm の範囲）の解析を短時間で実施可能とすることが望まれており、実⽤材料や機器、製品を対象とした解析を実際の稼働状態において実施することが期待されている（図 1）。これは現状の中性⼦
実験の観察領域を 1/10 以下へ微⼩化するとともに、測定に係る時間を 1/10 から 1/100 に短縮することを要求するものである。特に、燃料電池における⽣成⽔の挙動やリチウムイオン
⼆次電池中のリチウムイオンの挙動の直接観察による把握は、次世代の電気⾃動⾞に搭載する⾼性能動⼒源の開発において重要であり、また、構造材の疲労劣化や応⼒、加⼯歪みの
発⽣は実製品を対象とした評価が必要であり、その⼿段は未だ開発されていない。
現在の先進的な中性⼦イメージング装置における典型的な空間分解能は 100 µm から数
10 µm であり、⾼空間分解能イメージングとして 10 µm 以下の空間分解能が技術的には実現しているがその撮像には数時間を要する。そのため、上記のような課題の解決においては不⼗分であり、空間分解能 1 µm を数分程度の撮像時間で実現することが必要となる。その実現に必要な線源性能は、できるだけ⾼い中性⼦強度を供給できることである。しかし、TS2 の時間平均強度が TS1 の 10 倍になったとしても依然として数時間の撮像時間を要する。この問題を解決する⽅法として考えられることが結像光学系の実⽤化である。これは試料位置での像を拡⼤して検出器⾯上に結像するものであり、ビーム発散度の⼤きなビームを利⽤可能とするため、⼊射側に集光光学系を組合せることで実効的な中性⼦ビーム強度を増強することができ、⾼輝度の線源特性をより⾼度に利⽤できる。結像光学系の実⽤化には、中性⼦光学技術のさらなる開発が必要であるが、その利⽤効率をできるだけ⾼くするた
めにも、線源としては点光源のような位相空間でのビーム密度が⾼く、また、低速中性⼦の強度ができるだけ⾼いことが望ましい。また、低エネルギー中性⼦の利⽤は分解能の向上に伴う微⼩試料における中性⼦と物質との相互作⽤確率の低下を補う上でも重要である。また、⾼空間分解能イメージングにおいて重要なもう⼀つの要素技術が中性⼦画像検出器の開発であるが、1 µm 程度の空間分解能を有する画像検出器の実現可能性は⼗分に⾼い。た26

とえば、サブミクロン分解能の超伝導検出器 [H. Shishido et al., Phys. Rev. Applied, 10，044044(2018)] の開発が進められており、多段化による検出効率の向上によりさらなる⾼空間分解能化が期待でき、図 3.12 に⽰すような透過型中性⼦顕微鏡による微⼩領域の軽元素観察の展開が期待される。

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図 3.11：産業利⽤の観点からの中性⼦応⽤の展開

図 3.12：⾼空間分解能撮像による軽元素観察研究例

27

また、⾼精度な中性⼦の集光・発散度制御が可能となれば、密度の⾼い中性⼦ビームや平⾏度の⾼いビームを供給することが可能となる。マイクロメートルサイズまでビーム密度を上げることができれば、⾛査型イメージングや即発ガンマ線分析との組合せによる同位体識別型 3 次元元素分布解析の実現につながり、平⾏ビームを⽤いれば中性⼦トポグラフ
ィ（回折イメージング）の利⽤も現実となり、⾶⾏時間分析型 3 次元中性⼦回折（3DND）
では 10 µm 程度の⼤きさの結晶粒の分布や組織分布を可視化するだけでなく、粒毎のひずみ解析や磁気構造解析への展開が期待される。さらに、発散度の⼩さい平⾏ビームは、空間分解能を劣化させることなく試料と画像検出器間の距離の拡張を可能とするため、様々な中性⼦デバイスや試料環境機器の挿⼊の⾃由度を与える。これにより、多彩な外場条件での撮像が可能となるとともに、中性⼦偏極度解析（陽⼦核偏極を含む）や中性⼦⼲渉による位相解析、スピンエコー等との組合せによりイメージングの感度の向上や取得情報の多彩化が実現する（図 3.13）。

図 3.13：中性⼦結像・集光光学系の活⽤によるイメージング技術の⾼度化

中性⼦イメージングおよび産業応⽤の観点では、TS2 への期待は中性⼦実験における空間・時間分解能の向上をどこまで実現できるかが重要な点となる。この時に必要な中性⼦源の性能は、第⼀は⾼い中性⼦強度であり、特に中性⼦光学素⼦を有効に活⽤することができる低エネルギー中性⼦強度が⾼いことである。パルス中性⼦の⾶⾏時間分析を利⽤する上ではエネルギー分解能の⾼さは⼤事な要素であるが、短パルス中性⼦源であれば⼗分であり、TS1 の性能はこの観点ではすでに⼗分な性能が実現されている。そのため、TS2 の線源としての性能としては以下が期待される。
・ 中性⼦強度が⾼いこと。特に低エネルギー中性⼦の強度が⾼いことが⾼感度化の観点でも望ましい。

28

・ 位相空間密度が⾼いこと。⾔い換えると、空間密度と指向性が⾼いビーム（低エミッタンスビーム）であること。
・ TS1 と同程度のパルス幅。（⾮結合型減速材のパルス特性を有しながら、ビーム強度が TS1 の結合型減速材の 10 倍以上の性能が期待される。
）

3-1-6.

TS2 における基礎物理三島賢⼆（J-PARC センター/ KEK）
、川崎真介（KEK）、北⼝雅暁（名古屋⼤学）、
吉岡瑞樹（九州⼤学）
中性⼦を⽤いた物理量の精密測定は、素粒⼦標準理論の枠組を超える現象についての包括的な探索能⼒を持っており、その探索能⼒は衝突型加速器を⽤いた⾼エネルギー素粒⼦
実験と相補性を持つ。 J-PARC 第 2 ターゲットステーション(TS2)では① 世界最⾼密度の超冷中性⼦源② ⻑波⻑⾼輝度中性⼦ビームを軸に中性⼦を⽤いた基礎物理研究を進めていく。

(1) TS2 における超冷中性⼦源とその利⽤
・ 超冷中性⼦とは/超冷中性⼦源の世界の現状
超冷中性⼦(Ultra-Cold Neutron, 以下 UCN) とは⼀般的に運動エネルギーが約 300 neV 未
満の中性⼦のことをいう[1]。UCN は⾮常に⼩さな運動エネルギーゆえに物質表⾯において全反射されるため、物質容器に閉じ込めることが可能になる。このような性質を⽤いて種々の基礎物理実験に⽤いられている。
世界では 1980 年代からフランスの ILL で UCN を供給している[2]。近年ではスイスのPSI、アメリカの LANL が固体重⽔素型の UCN 源を建設、運⽤している。また KEK・RCNP
で開発された超流動ヘリウム型 UCN 源がカナダ TRIUMF で稼働を開始した[3]。J-PARC
MLF の BL05 ビームラインでもドップラーシフターによる UCN ⽣成が⾏われている[4]。しかし UCN はその有⽤性に⽐べ供給できる施設が少なく、また多くの実験が現在統計精度によって制限されている。 実験領域での UCN の統計は発⽣時の密度で律速されるため、⾼い UCN 密度を持つ新たな UCN 源の建設が急務である。
超冷中性⼦の⽣成は冷中性⼦をタービンと呼ばれる回転ミラーで反射することで⾏われていたが、この⽅法ではリウヴィルの定理により位相空間密度が保存するため中性⼦源の性能が密度を律速していた。2000 年代より開発されたスーパーサーマル法と呼ばれる UCN
⽣成法では中性⼦がフォノンを励起し運動エネルギーを失うことで中性⼦を冷却する。中29

性⼦のエントロピーはフォノンに受け渡されるため、リウヴィルの定理の制限を受けず位
相空間密度を向上させることができる[5]。
図 3.14 は KEK/RCNP/TRIUMF グループが 2020 年に建設を⽬指している新 UCN 源の概念図である。UCN は陽⼦ビームによる重⾦属の核破砕反応により⽣じる⾼速中性⼦を冷却することで⽣成する。冷中性⼦への冷却は 300 K の液体重⽔及び 20 K の液体重⽔素による
中性⼦⾮弾性散乱を⽤いて⾏う。冷却された中性⼦は超流動ヘリウム中のフォノンに運動量を渡すことで UCN となる。シミュレーションによる計算では陽⼦ビーム強度 20 kW において 6,400 /cm3 の UCN が⽣成される。これは 2019 年現在、世界最⾼の UCN 密度を上回る。
MLF TS2 では超流動ヘリウムを⽤いた UCN 源を建設し、さらに⾼密度の UCN ⽣成を⽬指す。KEK/RCNP/TRIUMF グループの設計をそのままスケールアップできたとすると UCN
密度は 16 万 UCN/cm3 となり、実現できれば他の追随を許さないものとなり得る。実際は核発熱によって温度上昇する超流動ヘリウムの冷却の問題や他のビームラインとの共存、⽣体遮蔽の関係から設計をそのまま流⽤することは難しい。TS2 では UCN ⽣成の共鳴点であるエネルギー1 meV の中性⼦を選択的に集光・輸送する設計を⾏うことにより、核発熱の⼩さい下流において効率的に UCN を⽣成・輸送する。これにより他ビームラインとの共存、
⽣体遮蔽の問題も解決することができる。

図 3.14：KEK/RCNP/TRIUMF UCN 源 (TUCAN source)

・ 超冷中性⼦の利⽤i) 中性⼦電気双極⼦モーメント探索
UCN を⽤いた研究で現在、最も盛んにおこなわれているものに中性⼦電気双極⼦モーメ
ント(neutron Electric Dipole Moment、以下 nEDM)の探索がある。永久 nEDM の存在は時間反転対称性を破るため、CPT 保存を仮定した場合これは CP 保存の破れと同義である。現在の物質優勢宇宙を説明するためには新たな CP ⾮保存が不可⽋であり、その謎を解くための世界中で nEDM 探索が進められている。現在進⾏中の実験は新物理の兆候が理論的に予想さ30れている 10-27 e・cm の感度での測定を⽬指している。感度は統計精度、つまり UCN
密度で制限されており、TS2 に置かれる⾼強度の UCN 源を⽤いればさらに 1 桁⼩さ
い 10-28 e・cm 領域での nEDM 探索が可能になる。この値は相互作⽤を媒介する未知粒⼦のエネルギースケールに換算すると30 TeV に相当し、LHC などの既存の⾼エネルギー加速器実験では到達し得ない領

図 3.15： 光路分解型パルス中性⼦ MachZehnder ⼲渉計概念図

域を探索できる。
ii) 重⼒場量⼦準位測定
中性⼦は地球上では 100 neV/m の重⼒を感じる。⾮常に運動エネルギーの⼩さい UCN は
この重⼒場に束縛されて、⾼さ⽅向のエネルギーが量⼦化される。得られる量⼦化状態では
⾼さ⽅向の存在確率分布が濃淡の縞模様を持つ。この量⼦化分布の存在は V.V.Nevizhevsky
らによって初めて測定された[6]。⾼密度の UCN を⽤いてこの量⼦化分布を⾼統計で精密に観測すれば未知短距離⼒探索や等価原理の検証を⾏うことが可能になる。
iii) 中性⼦崩壊パラメーターの測定
中性⼦は陽⼦、電⼦、反ニュートリノに寿命約 880 秒で崩壊する。中性⼦崩壊のパラメー
ター(中性⼦寿命、崩壊⾮対称度等)は素粒⼦物理において重要である。これらのパラメーターを現在より 1 桁良い精度で測定することができれば⼩林・益川⾏列の要素 Vud を複雑な原⼦核に依存しない形で導出することができるようになり⾮常に意義がある。また、⾮対称度とエネルギー分布を測定することにより、未知の相互作⽤を発⾒できる可能性がある。
中性⼦崩壊の精密測定は冷中性⼦ビームを使って⾏われてきたが、近年 UCN を使うことで良い精度を達成することに成功している[7][8]。いずれも統計精度に問題があり TS2 を使った測定により改善することができれば⼤きなインパクトが有る。

(2) TS2 における冷中性⼦ビームとその利⽤
i) 中性⼦⼲渉計
原⼦核の中性⼦散乱⻑は、中性⼦を⽤いたあらゆる測定の基礎量であり、その精密測定とデータベースの構築は、世界最⾼輝度の中性⼦施設が当然⾏うべきテーマである。また精度の⼤幅な向上によって従来無視してきた微⼩な相互作⽤があらわになり、そこから新しい
科学的知⾒を得ることができる。
中性⼦⼲渉計は中性⼦散乱⻑だけでなく、2 つの経路上の場の微⼩な変化を⾼精度に捉え31

る装置である。その感度は中性⼦波⻑と装置の⼤きさに⽐例する。

⼀般的な中性⼦⼲渉計はシリコン単結晶を⽤いており、利⽤できる中性⼦波⻑は単⾊で原⼦炉中性⼦源に設置する⽅が統計的に有利とされている。
TS2 は時間積分強度でも ILL に迫るが、多層膜を⽤いた多⾊対応の中性⼦⼲渉計を⽤いれば利⽤波⻑幅を 1%未満から数⼗%程度にまで拡⼤できる。さらに相互作⽤の波⻑依存性を同時に測定することで装置の振動などによる不安定性の原因を特定できるようになるため系統的不確かさを格段に低減することができる。
TS2 では次世代の中性⼦多層膜⼲渉計として、光路分解型パルス中性⼦ Mach-Zehnder ⼲渉計を提案する。上流に集光輸送光学系を導⼊し、⼲渉計直前で⼀旦焦点を結ばせる。そのピンホールから発散⾓をもって⼲渉計を通過し、2 次元検出器で検出すれば、検出位置と「⼲渉計内の経路」が 1 対 1 に対応し、従来平均化されていたビーム広がりによる⼲渉縞の位相の不確かさを除去できる。
ii) 中性⼦散乱⻑の精密測定
⽚⽅の経路に物体を挿⼊した場合の位相変化 Δφ は、散乱⻑ b を⽤いてと書ける(ν は原⼦数密度、λ は中性⼦波⻑、D は試料の厚さ)。試料へのビーム⼊射⾓の広がりなどは前述のピンホール光学系によって分解解析できる。強度だけでも NIST の 100 倍程度利⽤可能と⾒積もられ、⻑波⻑を⽤いることもあわせると、測定精度は 2 桁程度向上させられると予想する。
iii) 暗⿊エネルギー探索
宇宙を加速膨張させるためには真空中にエネルギー（暗⿊エネルギーと呼ぶ）が必要だ
が、地上での物理実験では観測されていない。これを説明するモデルの⼀つにカメレオン機構がある。例えばカメレオン場として以下の形（Ratta-Peeble ポテンシャル）を導⼊する。

物質密度 ρ が⼤きくなると場の質量が⼤きくなり、このスカラー場の影響を遮蔽する。中性⼦⼲渉計を⽤いた先⾏実験では、n=1 で β < 4.7 × 10-6 の上限値をつけている。
実験では、⼲渉計の⽚⽅の経路に物体を近づけ、中性⼦波動を物質からの距離の異なる 232経路を通過させ、そのポテンシャル差を検出する。式にあるように、経路が⻑いほど、また波⻑が⻑いほどその感度は向上する。多層膜⼲渉計は単純には、波⻑を 5 倍、経路⻑を 10倍程度向上させることができ、従来の中性⼦⼲渉計による上限値を 1 桁程度向上させることができると⾒込まれる。また、上述のピンホール光学系でビーム経路を分解解析すれば、効率的に n-β 領域を探索することができる。
iv) 中性⼦-反中性⼦振動
物質優勢宇宙を形作る条件の⼀つがバリオン数の破れである。中性⼦-反中性
⼦振動はバリオン数を 2 変化させ、バリオン数の破れの直接的な証拠となる。
SU(2)L × SU(2)R × SU(4)c にもとづく模型
がその上限値を5 × 10&' 秒と予⾔してお図 3.16：中性⼦-反中性⼦実験装置概念図

り実験的にこの値を探索することが求められている。
⾃由中性⼦を⽤いた実験での下限値は ILL での 8.6 × 107 秒である。探索感度は中性⼦数と⾶⾏時間の 2 乗に⽐例する。中性⼦がビームパイプなど物質と相互作⽤する際、中性⼦反中性⼦振動の位相がどう変化するかは理論的にもわかっていないため実験では中性⼦を物質と相互作⽤させないように⾶⾏させなければならない。すなわち無磁場の⾼真空中を壁⾯に衝突することなく輸送する。これらの条件から、以下のような配置となる(図 3.16 参照)。
1) 線源と対消滅標的に焦点を持つ回転楕円体ミラーを線源になるべく近づけて設置する。
2) 中性⼦を磁気遮蔽された⾼真空ダクト(200 m)を通過させる。
3) 対消滅標的として炭素の薄膜を設置、その周囲をワイヤチェンバーとカロリメーター
で取り囲み、反中性⼦の対消滅を検出する。
探索の段階ではピーク波⻑の中性⼦強度だけが重要でありその点では ESS にメリットがあるが ESS では直径 4 m の真空ダクトが必要であり⼤きな問題である。TS2 では⾼輝度化によりその直径⼩さくすることが可能になると考えている。

(3) 熱外中性⼦の利⽤
熱外中性⼦領域には、原⼦核反応の測定による核データの整備や核構造の研究、nEDM と相補的な時間反転対称性の破れ探索など、重要な物理テーマが存在するが TS2 では利得がない。陽⼦ビームパワーが最⼤ 500 kW になるので、設計値 1 MW の TS1 と⽐較するとむ
しろ減少する。分光器をより適切に活⽤するという観点から現在 TS1 に設置されている⻑波⻑
中性⼦を利⽤する分光器を TS2 に移設し、TS1 に熱外中性⼦ビームラインを構築すべきである。

33

[1] R. Golub, D. Richardson, S.K. Lamoreaux,“Ultra-Cold Neutrons”, Adam Hilger, Bristol,

Philadelphia and New York (1991).
[2] A. Steyerl et al., Phys. Lett. A 116, 347 (1986).
[3] 川崎真介、⽊河達也、松宮亮平, ⾼エネルギーニュース 37.1, 11 (2018).
[4] S. Imajo et al. Progress of Theoretical and Experimental Physics 2016.1 (2016).
[5] R. Golub and J. Pendlebury, Phys. Lett. A 62, 337 (1977).
[6] V. V. Nesvizhevsky, et al., Nature, 415, 297-299 (2002).
[7] M. P. Mendenhall et al., Physical Review C 87, 032501 (2013).
[8] R. W. Pattie et al., Science 360, 627-632 (2018).

3-1-7. 第⼆ターゲットステーションにおける⾼速中性⼦測定実験室
明午伸⼀郎（J-PARC センター/JAEA）、岩元⼤樹（J-PARC センター/JAEA）、松⽥洋樹（J-PARC センター/JAEA）、佐波俊哉（J-PARC センター/KEK）、⻄尾隆（J-PARC セン
ター/JAEA）、岩元洋介（J-PARC センター/JAEA）、岩本修（J-PARC センター/JAEA）、
相澤直⼈（東京⼯業⼤学）、千葉敏（京都⼤学）、⼋島浩 (九州⼤学)、渡辺幸信（九州⼤学）、執⾏信寛（九州⼤学）

原⼦炉から⽣ずる⻑寿命半減期を有するマイナーアクチノイドなどの有害度低減のため、
陽⼦加速器駆動型の核変換システム(Accelerator Driven System)が⽇本原⼦⼒研究開発機構、ベルギー及び中国等において研究開発が進められ、J-PARC センターの核変換ディビジョン
では、ADS に向けた施設検討および建設準備等が進められている。ADS の核特性評価には
マイナーアクチノイドのみならず構造材の鉄などの広い元素にわたる⾼い精度の中性⼦の断⾯積測定が必要とされる[1]。現状の実験データの質と量は⼗分ではないため、CERN 等の加速器施設において⻑尺の中性⼦ビームラインにより ADS に必要な断⾯積の測定が進められている。また、中国の核破砕中性⼦源(CSNS)でも中性⼦断⾯積の測定が計画されている[2]。核破砕中性⼦源から⼀般にユーザーに提供される中性⼦は、減速材の減速のため ADS
で重要な数 MeV 付近の⾼速中性⼦のエネルギーと⾶⾏時間の⼀意性が乏しくエネルギー分
解能の悪化を及ぼす。CSNS では図 3.17 のように陽⼦ビーム⼊射⽅向に⽣成する中性⼦を利⽤する実験施設の建設を⾏い、断⾯積の測定のみならず MeV 領域のラジオグラフィに及ぶサイエンスを展開している。
CSNS のように標的に⼊射する直線状の陽⼦ビームラインの下流側に専⽤の⾼速中性⼦実験室を設けることにより⾼速中性⼦に特化した実験が⾏う事が可能となる。3NBT では中性⼦源から陽⼦ビームラインに⼊射する中性⼦の定量的な評価のため、⼩型の有機シンチ

34

レータを標的から 120 m 離れたビーム偏向部に設置し、⾶⾏時間法により中性⼦スペクト
ルの絶対強度を測定した。この結果、図 3.18 に⽰すように中性⼦源から陽⼦ビームラインに⼊射する中性⼦強度はほぼ計算通りとなることが判明した。また、ミュオン標的を試料として炭素の中性⼦全断⾯積の測定も⾏った。測定で得られた断⾯積は評価済み核データ(JENDL-4)とよい⼀致を⽰し、⼗分なエネルギー分解能で断⾯積が測定できる事が判明した。
実験では 1 バンチ運転により測定を⾏った。TS2 でも 1 バンチの運転が可能なため、本実験室により⾼速中性⼦の⾼精度な断⾯積の測定が可能となる。陽⼦ビームライン⽅向には、減速材で減速されず核破砕反応により⽣じた中性⼦を直接利⽤する事が可能なため、⾶⾏時
間とエネルギーの⼀意性が向上し⾼エネルギー分解能の中性⼦を得ることができる。また、
陽⼦ビーム⼊射⽅向に対し最後⽅となる場所を選定により⽣成中性⼦の 100 MeV 以上の強度を⼤幅に減少できるため、遮蔽において断⾯積が極⼩となる⼀番厄介な 100 MeV 以上の中性⼦を抑えられ実験室の遮蔽は簡便なものとできる。また、陽⼦ビーム⼊射⽅向の中性⼦を⽤いることにより、容易に⻑尺な中性⼦ビームラインの建設が可能となる。
本実験室の建設により、J-PARC における中性⼦源の使⽤可能なエネルギー領域を数μeVから数⼗ MeV まで拡張する事が可能となり、⾶躍的に使⽤エネルギー領域を拡⼤できる。
本実験室により、中性⼦断⾯積測定のみならず数 MeV にわたる中性⼦ラジオグラフィ等の中性⼦科学の発展に⼤いに貢献できるものと期待される。

図 3.17：中国の核破砕中性⼦源(CSNS)の⾼速中性⼦測定室[2]

35

(a)

(b)

図 3.18：MLF の⽔銀標的から陽⼦ビーム⼊射⽅向に⽣成する中性⼦の実験結果[3]。 (a) 測定で得られた中性⼦スペクトルと計算の⽐較、(b) ⾶⾏時間法による炭素の全断⾯積測定と評価
済み核データファイル(JENDL-4.0)との⽐較。

参考⽂献[1] H. Iwamoto et al., “Sensitivity and uncertainty analysis for a minor-actinide transmuter withJENDL-4.0”, Nucl. Data Sheets, 118, 519-522 (2014).
[2] Z. Tan et al., “Energy-resolved fast neutron resonance radiography at CSNS”, Nucl Inst Meth
A, 889, 122-128 (2018).
[3] H. Matsuda et al.,“The measurements of neutron energy spectrum at 180 degrees with themercury target at J-PARC”, J. Phys.: Conf. Ser., 1021, 012017 (2018).

3-1-8. ⾼圧科学と中性⼦・ミュオン
鍵裕之（東京⼤学）、⼩松⼀⽣（東京⼤学）、佐藤⼀彦（埼⽟⼤学）(1) ⾼圧⼒と科学
圧⼒は対数スケールでその⼤きさが⽐較され、それぞれの圧⼒に対応したサイエンスが展開されている。地殻とマントルの境界に相当する 1 GPa、ダイヤモンドが安定になる 5 GPa、酸素が⾦属化する 100 GPa、地球の中⼼の 360 GPa、⽔素の⾦属化が予測されている 1 TPa、
さらに⾼い圧⼒では炭素やヘリウムの⾦属化などが予想されている。今⽇、地球中⼼部に相当する圧⼒条件はダイヤモンドアンビルセル(DAC)を⽤いることで達成可能である。ただし、超⾼圧を発⽣可能な DAC では試料サイズが 100 µm オーダー以下に制限されるため、中性⼦散乱の測定は実質的に不可能である。現在、J-PARC ⾼圧中性⼦ビームライン(BL-11)では、
⾼温⾼圧実験⽤の圧姫（⼤型マルチアンビル⾼圧発⽣装置）、低温⾼圧⽤の Mito system（対向アンビル⾼圧発⽣装置）、室温⾼圧⽤の Paris-Edinburgh プレス（対向アンビル⾼圧発⽣装

36置）が供⽤されており、世界最⾼レベルの実験環境が提供されてはいるが、いずれの⾼圧発⽣装置においても定常的な最⾼圧⼒は 30 GPa 程度にとどまっている（図 3.19）。これは⾼圧装置による圧⼒上限に加え、中性⼦線源による必要最⼩体積に起因する圧⼒制限が重くのしかかっている（発⽣圧⼒が上がるほど、試料体積は低下する）。今後、TS2 が実現して、
超⾼圧条件に置かれたたとえば数 10 µm 程度の試料から中性⼦回折パターンを取得することができれば、⽔素関連のサイエンスが⾶躍的に伸びることが期待される。
後述するように、ミュオンにおいても中性⼦と同様に TS2 の実現による線源の強化によりサイエンスの広がりは計り知れないものがある。⾼圧科学研究者は、TS2 の実現を切望して

Vsam ple (m m 3 )いる。

ピストンシリンダー
1000
マルチアンビルセル

100

10
対向アンビルセル

0.1
0.01

TS-1

0.001

ダイヤモンドアンビルセル

TS-２

0.0001

0

5

30

100

300

P (GPa)
図 3.19： 試料体積と発⽣圧⼒の関係。各種圧⼒発⽣装置ごとに到達可能なおおよその圧⼒と試料体積の関係をまとめた。また、現状の TS1 で測定可能な試料体積および将来 TS2 で観測可能になると期待される試料体積をそれぞれ点線で⽰した。

(2) ⾼圧下での物性科学と中性⼦
中性⼦回折で得られる最も重要な情報の⼀つは、結晶中での⽔素原⼦の位置である。⽔素は電⼦数 1 の最も軽い原⼦でありながら、物性科学におけるキープレーヤとなる元素の⼀つである。ここでは物性科学における重要な問題を⼆つ例⽰したい。いずれの問題も、中性
⼦回折による⽔素原⼦位置の決定が望まれていながら、現状のパルス中性⼦源を⽤いて到達できる圧⼒領域では不可能である。

37

第⼀は⻑らく理論的に予測がされながら実現されていなかった⾦属⽔素である。Dias andSilvera (2017)は低温条件で固化した⽔素に圧⼒をかけていき、495 GPa で試料の反射率が90％以上となり、⾦属状態になったと報告した（図 3.20）。
この論⽂の結果については、いくつかの疑問が投げかけられているが、⽔素の⾼圧下での⾦属化に対する⼤きな⼀歩となったことは間違いない。今後はこの⾼反射率の物質が本当に⽔素単体であるのか、電気的性質が⾦属であるか、そして⾦属状態の⽔素がどのような構造をもつのかを明らかにすることが求められる。495 GPa という超⾼圧は DAC を⽤いることで到達可能な条件ではあるが、試料サイズが 10 µm のオーダーとなるため、現状では中性⼦回折の測定は全く不可能である。現在、我が国でも精⼒的に進められている中性⼦回折⽤ DAC の開発

図 3.20：⾦属化したとされる⽔素の顕微鏡写真。試料直径はおお よ そ 8-10 mm [Dias andSilvera, 2016.]と新しい中性⼦源(TS2)の開発により、将来的に取り組むべき重要な課題の⼀つである。
第⼆の例は超伝導に関連した⽔素化合物の構造研究である。2015 年に Eremets らによって硫化⽔素が 150
GPa、
203 K という条件で超伝導となることを発表した。
⾔うまでもなく 203 K という温度はこれまでにない⾼温条件での超伝導の実現である。阪⼤清⽔グループは
は放射光を利⽤した超⾼圧・低温下での X 線回折実験から硫化⽔素の⾼温超伝導相の結晶構造を推定した[Einaga et al. (2016) 図 3.21]。さらに最近、2 つの研究グループからランタン⽔素化物(LaH10)が 170-200 GPa で215 K や 260 K といった⾼温で電気抵抗の消失を観測したという衝撃的な報告がなされた [Drozdov et al.,2018; Somayazulu et al., 2018]。超伝導体のもう⼀つの

図 3.21： X 線回折から推定された超伝導を⽰す硫化⽔素⾼圧相の結晶構造。⻩⾊: 硫⻩、ピンク: ⽔素。⽔素位置や空間群の詳細については結論が出ていない [Einaga et al., 2016.]

条件であるマイスナー効果については本原稿を書いている段階では確認されていないが、室温超伝導体の実現に向けて期待を抱かせる報告と⾔える。他の希⼟類⾦属の⽔素化物である YH3, ScH3, LaH3 にも⾼い超伝導転移温度が予想されており [Kim et al., 2010; Peng et al., 2017]、それら⽔素化物の⾼圧下における結晶構造の決定は喫緊の課題となっている。しかしながら、⽔素原⼦位置は X 線回折実験からのみでは確定的な結論は得ることができないため、低温⾼圧条件での中性⼦回折測定が必要であ38

る。硫化⽔素や⾦属⽔素化物の⾼温超伝導相の構造を理解することは、室温超伝導体を設計する上での重要な指針を与えると考えられる。TS2 が建設されれば、150 GPa という圧⼒条
件での中性⼦回折実験は実現可能となるであろう。

(3) ⾼圧下での地球惑星科学と中性⼦
地球惑星科学の分野においても、⾼圧状態における物質中の⽔素原⼦の位置決定が重要な研究課題となっている。ここでは地球の核、惑星内部の物質に関するサイエンスについて紹介したい。
地球の核は鉄やニッケルを主成分とする合⾦でできているが、地震学的観測から⾒積もられる密度は鉄ニッケル合⾦で予想される値よりも 10%程度低く、何らかの軽元素が核に溶け込んでいることは間違いない。現時点では⽔素、酸素、硫⻩、炭素などが候補として挙げられているが、実際にどの元素がどれだけの濃度で溶存しているかは未解明である。この問いに答えるためには、軽元素の溶存量と密度との関係を明らかにする必要がある。候補に挙がっている軽元素の中で、⽔素は最も有⼒な候補の⼀つである。なぜなら⽔素は太陽系での存在度が最も⾼く、Iizuka-Oku et al. (2017)による⾼温⾼圧条件下での中性⼦回折実験から地球に豊富に存在する⽔と⾦属鉄との急速な反応で鉄⽔素化物が形成されることが明らかになったからだ。⼀⽅、Machida et al. (2014)は鉄⽔素化物の物性研究という観点から⾼温⾼
圧条件で鉄結晶構造中の⽔素原⼦のサイト占有率と単位格⼦体積との関係を明らかにした。
これら⼆つの研究は J-PARC MLF BL-11 において⾏われたものであるが、いずれの研究においても圧⼒上限は 10 GPa に達していない。地球の核について厳密な議論を⾏うためには、圧⼒を願わくばあと⼀桁上げなければいけない。前述したように、試料サイズが⼩さけ
れば DAC を⽤いて地球の中⼼核に相当する
圧⼒を発⽣することはすでに可能である。地
球の中⼼核の温度圧⼒条件における純鉄の結晶構造は hcp (hexagonal close packing)であることが実験的に明らかにされている[Tateno et al., 2010]。⼀⽅で、図 3.22 に⽰す
ように⾼圧下で安定な鉄の⽔素化物（FeHx）
は fcc (face-centered cubic)または dhcp (double
hexagonal close packing)構造をとる。しかし、
図 3.22： 純鉄（イタリック）と鉄⽔素固溶体の相図（推定）地球内部で核を構成する鉄や鉄ニッケル合⾦が実際に⽔素化していた場合、それらの⾦39

属⽔素化物がどのような構造をとるかは明らかではない。近い将来、放射光 X 線回折により、鉄⽔素化物中の鉄の位置については明らかになると思われるが、肝⼼の⽔素サイトの位
置や溶存量についての直接的な測定は、中性⼦回折によって⾏われる必要がある。
このように地球の内部についても未解明な問題が数多く残されているが、地球以外の惑星内部に⾄っては、観測できる⼿段や量が限られることから、ほとんど何もわかっていないと⾔っても過⾔ではない。とはいえ、興味深い観測結果が数多くあるのも、また事実である。
例えば、海王星の磁極の向きは⾃転軸と 47°傾いており、天王星に⾄っては 59°も傾いていることがボイジャー２号の観測から明らかになっている。地球の場合は、外核を構成する
液体の鉄の対流によるダイナモ機構が磁場の要因とされているため、天王星や海王星の磁場の起源を内部構成物質に求めるのは⾃然な発想である。天王星や海王星は⽔・アンモニ
ア・メタンなどを主成分とするマントルと岩⽯からなる核から構成され、中⼼の圧⼒は天王星で 400-550 GPa, 海王星で 550-700 GPa と推定されている。酸化物や⾦属などの地球のマ
ントル・核を構成する物質に⽐べると⽔・アンモニア・メタンなどの軽元素のみからなる物
質の 100 GPa を超えるような条件での相関係や結晶構造に対する理解は遅れており、TS2 の実現がこの分野に⾶躍的な進展をもたらすと期待できる。

(4) 氷の物理化学と中性⼦
⽔や氷は我々の⽣活に最も⾝近で必要不可⽋なものの⼀つでありながら、物質としては
実に奇妙な性質を持ち、このことが我々研究社の興味を惹きつけてやまない。また、氷は分⼦間の結合様式が⽔素結合のみからなるため、氷を研究することは単に H2O という単体の分⼦の理解にとどまらず、⽔素結合の本質的な理解にも役⽴つ。そして 10 GPa を超える圧⼒での氷に⽔素結合の性質に起因すると思われる数多くの興味深い未解決問題が残されている。
図 3.23 に氷の相図を⽰す。氷には少なくとも 18 種類もの異なる結晶構造を持つ多形が存在し、その種類の多さだけ⾒ても氷が特異な物質であることがわかる。我々の⽣活で⽬にする通常の氷は氷 Ih と呼ばれ、以降、基本的には発⾒順にローマ数字でII, III, …と番号が振られている。これらの多形を発⾒年および⽤いられた測定⼿
法ごとにまとめたのが、図 3.24 である。
図 3.24 を⾒ると 2000 年以降、氷多形の図 3.23： 氷の多形の発⾒年と測定⼿法

発⾒のペースがあがっており、しかもこ40

れらの発⾒のほとんどが⾼圧⼒下における中性⼦回折実験によってもたらされていることがわかる。
相図を⾒ると、2 GPa より⾼圧で存在するのは、氷 VII, VIII, X の３つであり、

1600

2 GPa 以下の低圧領域に⽐べると多様性

1400
1200

電率や⾚外・ラマン分光測定等に異常がみられることが報告されており、X 線回T/Kに⽋けているように⾒える。しかし、実際のところ、10 GPa を超える圧⼒で誘が⾼い。
さらに⾼圧の氷 VII から氷 X な

誘電率・分光スペクトルの異常？

800
600

III

400
200
0.01

X

水素結合の対称化・プロトントン
ネリング？

1000

折のみでは判別しづらい結晶構造の変化がこの圧⼒領域で起きている可能性

超イオン伝導相？

液体

Ih

II
0.1

VII

V
VI

VIII

1

10

P / GPa100

図 3.24： 氷の相図と TS-2 の実現により解決が期
待される未解決問題

いし、氷 VIII から氷 X への相転移は、きわめて短い⽔素結合のために、プロトンの量⼦トンネリングが起きている可能性が古くから指摘されているが、いまだ中性⼦散乱による直接観測には⾄っていない。また、氷 VIIや氷 X の存在する⾼温領域では、プロトンが⾼速で伝導する超イオン伝導体が存在することが予想され、2018 年 2 ⽉にはその実験的な証拠を得たとする論⽂も報告された [Milliot etal., 2018]。ただしこの論⽂で実験的な証拠としているのは光学的な観察のみであるため、中性⼦回折法による構造決定がなされれば、より決定的な確証をえることができるだろう。

(5) 物性科学とミュオン ⾼圧下µSR 実験と有機化合物の科学
素粒⼦ミュオンを⽤いて物質内部の局所磁場に関する知⾒を得るミュオンスピン回転緩和法(µSR)はおよそ 10-7 から 10-5 秒という中性⼦散乱や核磁気共鳴(NMR)などの他の実験⼿法と異なる独特の測定時間領域を持ち、スピン揺動の研究に極めて有効である。また、0.1
G 程度の微⼩な局所内部磁場でも容易に検出可能であり、物質内部の局所磁場を測定する⼿法としては、最も⾼い感度を有している。現在ではµSR のユーザーは中性⼦に⽐べまだまだ少ないが、近年新しいビームライン(S ライン）も稼動し、J-PARC/MLF のように中性⼦
散乱とµSR を同⼀の施設で実験し相補的な知⾒を得られる利点を⽣かすことにより、将来
より多くのユーザーがµSR に参画するようになることを期待する。以下に将来 TS2 において期待される有機化合物の⾼圧µSR 実験について述べる。
⾼圧実験は加圧により物質における電⼦相関の⼤きさやバンド幅などを連続的に制御しながら物性の変化を研究できるため、新規機能性材料の創⽣を⽬指す上で⽋かせない⼿法の⼀つとなっている。しかしながら⾼圧µSR 実験はミュオンビームの運動量の広がりもあ41

り、圧⼒容器の壁を通り抜けてミュオンを試料に静⽌できる割合が現状では 20-40%程度に過ぎず、まだまだ試⾏段階を脱しきれていない。またµSR 信号が試料体積に単純に⽐例するため、1 cc 程度の量の試料を必要とし、圧⼒容器はピストンシリンダー型のものに限られている。そのため発⽣最⼤圧⼒も 1-2 GPa 程度に制限され、測定可能な試料も⼤量に合成が可能な物質や⼤きな結晶が得られる物質に限定されている。TS2 において提案されている
TS1 の約 50 倍もの強度のミュオンビームが得られればこの事情は⼀変する。このことは有機化合物において特に顕著となる。
無機化合物が 100 種類程度の元素を基に合成されるのに対し、有機化合物は遥に多くの数の分⼦を基に合成され、組み合わせの数は実に多岐に渡り物質設計もより容易である。その反⾯、物性研究が⾏われている有機化合物は全体のごくわずかであり、多くの物質が未測
定のまま埋もれている。その中には有機物であるにもかかわらず、新奇な伝導や磁性を⽰す
物質群も存在し、多くの新規機能性材料の発⾒が期待される。有機化合物において磁性は元素ではなく⼤きな分⼦が担い、それ故スピン密度は無機化合物に⽐べて⼩さく物質内部の局所磁場も⼩さい。その磁性研究のために局所磁場に対する最も感度の⾼い実験⼿法であるµSR は極めて有効である。また、有機化合物は無機化合物に⽐べ「柔らかい」ため圧⼒に対し敏感であり物性が⼤きく変化することが知られており、有機化合物の磁性研究の上で
⾼圧µSR は多くのポテンシャルを有している。しかしながら、有機化合物の結晶成⻑には概して１ヶ⽉程度の時間を要し、かつ得られる結晶の質量は 1 mg 程度と微⼩なものしか得られないのが通例であり、多量の試料を得にくいことが有機化合物の⾼圧µSR を極めて限定的なものに留めている。TS2 において⼤強度ミュオンビームが実現されれば、・ 微⼩試料しか得られない物質群への拡張
・ キュービックアンビルプレスなど 10 GPa 級の圧⼒条件化への⾼圧µSR の拡張が期待できる。研究対象としては圧⼒誘起有機超伝導体における磁性の役割の解明が挙げられる。有機超伝導体のなかには銅酸化物超伝導体と同様に超伝導相に反強磁性絶縁相が隣接している物質群が知られており、反強磁性揺らぎを媒介に超伝導が出現している可能性が指摘されている。ただしこれらの有機超伝導体の場合、超伝導・絶縁相転移は１次相転移であり、揺らぎの役割は明確ではない。⾼圧µSR はこの磁気揺らぎの検出に格好の実験⼿法であり、中性⼦散乱や NMR などの結果などを活⽤することにより圧⼒誘起超伝導の出現と磁気揺らぎの関係を明らかにすることが期待される。これにより、更なる⾼い転移温度を持った物質開発も夢ではなくなると思われる。
なお、⾼圧µSR がターゲットとしている有機化合物の密度は 2g/cc 程度と⼀般の無機化合物の数分の 1 以下である。このことはミュオンを試料に⽌め難いことを意味し、有機化合物の⾼圧µSR の困難さの⼀因となっている。しかしこのことは逆に、有機化合物を⽤いて J-

42

PARC/MLF において⾼圧µSR の技術を確⽴すれば、有機化合物より密度の⼤きい他の無機化合物に容易に適応可能であることを意味し、⼤きな波及効果も期待できる。

3-1-9. 「中性⼦による活性サイト科学への挑戦」の提案
⼤⼭研司（茨城⼤学）、林好⼀（名古屋⼯業⼤学）

現在、物質⽣命科学や産業利⽤での中性⼦実験では、ラジオグラフィーをのぞけば、Q 空
間ないし Q-w空間で測定を⾏う。これは、結晶はもちろん、⾼分⼦、ガラス、液体などでも、原⼦レベルの空間周期性をもつ物理量を観測していることを意味する。この空間的周期性に着⽬した観測は J-PARC において究極のレベルに到達したが、⼀⽅で、J-PARC においても空間的に周期を持たない孤⽴した原⼦構造体は研究対象としては重要視されていなかった。したがって、ここに次世代の中性⼦科学で狙うべき未開拓サイエンスが隠れていると考えている。

機能性材料の多くでは、⺟物質中のドーパントやヘテロ界⾯などの局所的な構造体がその機能発現を決定づけている場合が多い。典型的な例が Si 半導体で、Si は単体でも半導体ではあるが、そのままでは電気抵抗が⼤きすぎるため、微少量の B または P のドープにより、半導体としての性能を制御し実⽤に供している。図 3.25 はドーパント周りの構造（局所構造）のイメージ図で、構造物性の視点では、このようなドーパント周りの構造のわずかな変化、あるいはそもそもドーパントがどこに⼊るか、がマクロな性質の発現に重要であろうことは容易に想像できる。このような機能発現の拠点となる局所的構造、ないし平均構造からの変形を「活性サイト」と呼び、物性理解の重要ポイントとして認識されている。図 3.26
は様々な活性サ
イトのイメージである。触媒反応の場合には、反応
中⼼原⼦周辺、ナ
ノ粒⼦触媒と基板の接合界⾯、ナ
ノ粒⼦そのものが、活性サイトとなる。

図 3.25：ドーパント周りの構造変化（活性サイト）のイメージ

43

図 3.26：様々な活性サイト。これらを可視化することで、機能性の本質に迫る。
（「3D 活性サイト科学」の資料から）

この局所的構造に注⽬する視点は、⼀般的な重要性がある。物質科学においては多くの物
質でその物性を組成制御によって制御する。図 3.27(a)の２元合⾦物質に⾚い⾊の原⼦を添加した場合、標準的な物質観としては、平均構造は⼤きくは変わらず原⼦の⾊が変わっていく、というように、仮想的原⼦を想像して物性を理解しようとする。しかし当然ながら現実には、図 3.27(b)のように３種類の原⼦が混在するのであり、かつ⾚い元素周囲で構造が図3.27(a)の構造から歪むはずである。この場合、各部での歪みが活性サイトであり、構造物性の視点ではここに物性変化の起源があるはずである。ほとんどの物質において同様のことが起きているのであり、材料科学全般において活性サイトを無視することはできない。
⽣命科学においては、活性サイトはより本質的な役割を果たしている。光
合成光化学系PSII（図3.28）では、内部に孤⽴して存在する椅⼦形のMnクラスターが⽔分解を担っている。したがって⽣命科学においても活性サイトの理解は不可⽋である。
しかし、多くの場合で活性サイトは

図 3.27：⼆元合⾦(a)に⾚い異種元素を混ぜた時の原⼦構造(b)。⾚い元素周りでは構造が歪む。
（原⼦分解能ホログラフィー研究会 HP から転載）

孤⽴し並進対称性がないため、Q空間での測定では検出が困難である。原理
的には散漫散乱などで捉えることができるが、たとえばBドープSiでのB濃度
はSiに対し10-5-10-8程度であり、通常の散乱実験で捉えられない。そのため活性サイトの三次元構造を実験的に観測した例は1990年代以前にはほとんどなく、物性物理、材料科学においての活性サイトの重要性にも関わらず、その理解が不⼗分であった。特に中性⼦科学においては、X線や電⼦線で実現している元素選択的な測定法がなかったため、活性サイトの観測は研究のターゲットとして視界に⼊っていなかっ図 3.28：光合成タンパク質分⼦。椅⼦状構造をもつ Mn クラスターが⽔分解を担っている。
（「3D 活
性サイト科学」の資料から）た。

44

(1) 活性サイト科学研究のこれまでの動向
材料科学、物質科学での活性サイトの重要性は以前より認識されており、新学術領域「ナノ材料科学のフロンティア開拓-材料科学の新展開」 [代表：⽥中功 （京都⼤） 2013 - 2017]において、電⼦顕微鏡での界⾯・⽋陥・不純物の観測と理論計算を組み合わせ、新規材料設計・創出を⽬指すプロジェクトが進められた。触媒化学では、Ｘ線吸収微細構造(XAFS)を⽤いて、反応時におけるダイナミクスの観測が⾏われてきた。
しかし、これらの活性サイトの観測の多くは、NMR などの間接的な⼿法、XAFS による
１次元的観測、電⼦顕微鏡による⼆次元的な観測が中⼼であり、本格的な構造理解には当然ながら三次元(3D)的観測⼿法が必要となる。そのため、2014 年に、広範な学術分野を横断
して 3D での活性サイトの観測に挑む新学術領域「3D 活性サイト科学」（代表：⼤⾨寛（奈良先端⼤、2014-2018）が⽴ち上がった。ここにはバイオテクノロジー、有機デバイス、ナノ分⼦触媒、ドープ系機能性材料、有機ナノ結晶、強相関電⼦系など広範囲の学術分野の理論、実験両⽅の研究者が参加した。その密接な連携が功を奏し主に放射光 X 線を活⽤して⼤きな進展を⽰し、学術領域としての 3D 活性サイト科学が確⽴された。このような継続す
る活動、すなわち 3D 活性サイト科学に広範囲の学術領域の参加があること、⼤型予算を継続的に確保できていることは、活性サイト科学が⼀部のマニアの研究対象ではなく、我が国の物質科学の進むべき⽅向性として注⽬されていることを意味している。

(2) 三次元原⼦イメージング技術の動向―「原⼦分解能ホログラフィー」
活性サイトを三次元的に直接観測する⽅法として、原⼦分解能ホログラフィーが開発されており、蛍光X線と光電⼦線においてすでに実⽤化されている。特に新学術領域「3D活性サイト科学」において⾶躍的な進展を⽰し、多くの成果があがっている。
ホログラフィーには他の⼿法にはない以下の重要な特徴がある。
①：特定の元素を選択し、その元素周りにだけある原⼦構造を三次元的に可視化できる。
②：可視化できる範囲は、X線の場合、中⼼元素から約20Åである。
③：構造モデルが不要であり、データより直接原⼦像を得ることができる。
このような特徴により、ホログラフィーは3D活性サイト科学に最有⼒な⼿法となる。我が国では1990 年台半ばから⼤⾨、林、松下らが開発研究を精⼒的に進め、本格的に物性研究への応⽤を実現した。その結果、我が国の活性サイトの理解は格段に進み、例えばボロンド
ープダイヤモンドの超伝導の起源、形状記憶合⾦の相変態機構の解明、希薄磁性半導体での強磁性発⾔の起源解明、強誘電体リラクサーの局所的構造変化観測など、応⽤研究が活発に⾏われている。

45

⼀⽅、機能性材料ではH, B, Liなどの軽元素の役割は重要なので、当然、中性⼦での観測が期待される。しかし、中性⼦での3D活性サイトの研究は⾮常に限定的である。理由の⼀
つは、XAFSのような元素選択的観測が可能な⼿法がなく、ドーパントなど特定の活性サイ
トを選択して観測することができなかったことにある。また、これまで空間的周期性を観測する視点が中⼼であったため、活性サイトが視野にはいっていなかった、ともいえよう。活性サイトの重要性を考えれば、活性サイトに注⽬した観測への展開が次世代の中性⼦科学が狙うべき新たな⽅向性の⼀つとなるのではないか。

(3) 中性⼦での活性サイト観測の状況
X線、電⼦線でのホログラフィーにくらべ、中性⼦での活性サイト観測は⼤きく⽴ち遅れていたが、この数年、決定的な進展がJ-PARCにおいて実現した。
中性⼦ホログラフィーは2001年にCserらのグルー
プにより提案され[L. Cser et al., Europhys. Lett., 54, 747(2001)]、同年にSurらがAl4Ta3O13(OH)単結晶での実証実験に成功した[Sur et al, Nature, 414, 525 (2001)]。しかし、この段階での原⼦像の信頼性は⼗分ではなく、本格的な物性研究が⾏われなかった。⼀⽅、我が国では2017年に林（名⼯⼤）らが、J-PARCの⽩⾊中性⼦を

図 3.29：1% Eu ドープ CaF2 での Eu
周りの原⼦構造(A)[Hayashi et al., Sci. Adv., 3, e1700294(2017).]

⽤いることで得られる原⼦像の精度を圧倒的に向上できることを証明し、代表的シンチレーション結晶である1 % EuドープCaF2単結晶において、Eu周りの原⼦
構 造 の 観 測 に 成 功 し た [Hayashi et al., Sci. Adv., 3,
e1700294 (2017).]。図3.29は林らにより可視化された
Eu周りの原⼦構造である。強調すべきは、図3.29は単なる結晶構造図ではなく、ドープされたEuの周りにだけ存在する局所的原⼦構造を⽰している点である。この結果から、EuがCaと置換していることが確認できたが、CaF2にドープされたEuは三価になっているので、電気的中性⼦が問題となる。これも林らによる詳細な解析により、ドープしたEu3+から2.3 Å離れた位置に過剰なF-の存在し、これが電気的中性を維持していることが⽰された。

46

図 3.30：J-PARC での⽩⾊中性⼦ホ
ログラフィーにより可視化された
0.26% B ドープ Si での B 周りの原⼦構造[Ohoyama and Hayashi, Phys.
Status Solidi(2018).]

B,

255,

1800143

その後、BドープSi、SmドープRB6（R: La, Yb）、熱電材料BドープMg2Si、⽩⾊LED材料
BドープSiCなどで、続々とドーパント周りの原⼦像を明瞭に観測することに成功している。
図32は⼤⼭らによって可視化された0.26% BドープSiでのB周りの原⼦構造である。B周りのシリコンがダイアモンド構造をとっており、Bが確かにSi位置に存在する実験的証拠である。
このように、J-PARCにおいて元素選択的な観測が実現し、世界に先駆け本格的な軽元素活性サイト研究がいよいよ可能になった。上述のように、3D活性サイト科学は我が国が世界をリードしている分野である上に、中性⼦ホログラフィーでの本格的研究を実現したのは世界でもJ-PARCのみである。したがって、3D活性サイト科学への挑戦は、J-PARCにとっても世界の中での独創性を⽰す上で効果的な戦略と考える。

(4) 中性⼦ホログラフィーの⾶躍の要因
J-PARC で中性⼦ホログラフィーを実⽤レベルまで⾶躍させることができた決定的な要因は、単にJ-PARC のビーム強度が強いからではなく、⽩⾊中性⼦を⽤いた点にある。中性⼦ホログラフィーでは試料を回転させながらドーパントから発⽣するプ
ロンプトγ線を計測し、その⾓度依存性を k 空間で球体にプロットする。この球体をホログラムとよび、その半径は⼊射ビームの波数で表される。これまでの中性⼦ホグラフィー実験は原⼦炉で⾏われ、
マシンタイムの制約から 1 波⻑でのみ測定が⾏わ

図 3.31：J-PARC で得られるホログラれた。すなわち得られるデータは薄⽪⼀枚の球体でムの例。⼗分な厚みのある球体になっており、ここから信頼性の⾼い三しかない。⼀⽅、J-PARC では広い波⻑範囲(0.4Å〜6Å)の⽩⾊中性⼦を連続で⽤いることができるの

次元原⼦像を得ることができる[Hayashi et al., Sci. Adv., 3, e1700294

で、得られるホログラムは図 3.31 のように厚みの(2017).]

⼗分にある球体となる。いま求めたいのは 3 次元の原⼦像であり、その場合、薄⽪⼀枚の球体のデータよりも図 3.31 の三次元球体のデータの⽅が圧倒的に⾼精度の原⼦像を与えるのは明らかである。この意味で、中性⼦ホログラフィ
ーは J-PARC のような⽩⾊パルス中性⼦源でこそ実現できたのであり、J-PARC は軽元素の活性サイト観測に最適の施設と⾔える。また、放射光 X 線施設においてもマシンタイムの制約から 5〜10 波⻑程度のホログラムを測定するのが精⼀杯であることを考えれば、ホロ
グラフィーは、精度において J-PARC が放射光施設を凌駕する可能性を秘めている⼿法である。この意味でも、ホログラフィーは J-PARC で推進すべき⽅向性の⼀つとなると考えている。

47

3-1-10. TS2 における極限環境下の物質科学のための超強磁場環境の構築
野尻浩之（東北⼤学⾦属材料研究所）

極端条件の下で、物質は通常では⾒られない全く新しい状態や振る舞いを⽰す事は良く知られている。このような、極端条件下の新しい物質相の探索、その起源の解明と制御は、物質科学の焦点の１つである。本提案では、TS2 で⽬指す⾼輝度中性⼦束を⽤いることで可能になる超強磁場環境とその応⽤について提案する。

(1) 中性⼦散乱における超強磁場環境の現状
中性⼦⽤の強磁場環境としては、超伝導磁⽯では 20 テスラ弱が最⾼磁場であるが、⼤型コイルを使⽤するため、漏れ磁場対策が⼤きな問題となり、ごく限られた分光器でのみ使⽤が可能である。ベルリンのヘルムホルツ研究所では、4 メガワットの電⼒を要する 27 テス
ラハイブリッド磁⽯が運⽤されているが、この磁⽯の導⼊には建物から新設が必要であった。⼀⽅、最近ではパルス磁場を⽤いた中性⼦回折実験が可能になり、J-PARC TS1 では 42
テスラまでの中性⼦回折実験が⾏われている。パルス磁場は、漏れ磁場対策が不要なため、分光器を選ばないが、40 テスラ級になると電源の体積は 10m3 程度になり、⼀定の設置場所が必要である。これに対して、ビームサイズが数百から数⼗µm 以下の X 線においては、1インチ程度の⼩型コイルと設置場所を選ばない⼩型電源を⽤いて、50 テスラ級の磁場発⽣が可能である。これらの⼩型コイルは、中性⼦試料環境で共通に⽤いられる冷凍機で冷却することが可能であり、設置分光器を選ばない。

(2) T2S における中性⼦散乱⽤⼩型超強磁場環境の導⼊
TS2 においては、⾼輝度の中性⼦束を実現することにより、より⼩さな試料で実験を⾏うことが可能になるため、中性⼦回折においても、X 線で⽤いられている超⼩型コイルを導⼊することが可能になる。⼩型コイルは、電磁⼒を押さえられるので、実験室系で利⽤されている多段コイルを⽤いると発⽣磁場も 70 テスラ程度に増強することが期待される。
また、
最近実⽤の超伝導磁⽯への応⽤が始まった⾼温超伝導材料を⽤いると、電流密度が従来の⾦属系超伝導磁⽯の⽐べて格段に⾼い事を利⽤して、コンパクトな超伝導磁⽯を作製する事が可能となる。超伝導磁⽯がコンパクトになれば、漏洩磁場の問題は考慮する必⽤がなくなるため、分光器を選ばず 10 テスラを越える強磁場環境の導⼊が可能となる。さらには、
超伝導磁⽯に磁束をトラップして⽤いるバルク磁⽯の開発も進められており、数テスラであれば、散乱と 3 次元的な磁場分布を⾃由に調整出来る強磁場環境が実現出来る。以上のよ48

うに、⾼輝度中性⼦束をコンセプトとする TS2 で初めて実現される強磁場環境としては以下の通りに纏められる。
① 分光器を選ばずに実現可能な 50 テスラパルス超強磁場② ⼩型コイルの特性を⽣かした多段コイルによる 70 テスラパルス超強磁場③ ⼩型⾼温超伝導コイルによる漏れ磁場フリー10 テスラ定常強磁場④ 広い散乱⾓と 3 次元磁場分布を制御可能なバルク超伝導磁⽯(3) 先進的な超強磁場環境の応⽤
以上のような先進的な強磁場環境の応⽤により、以下の課題が可能になる。
i) 室温レベルゼーマンエネルギーによる物質改変と実⽤材料研究への展開
これまでの強磁場環境はどちらかと⾔えば、低温と組み合わせて、⽐較的⼩さな摂動を物質に与えて応答を⾒ることが主流であったが、70 テスラの強磁場のもとでは、
S=5/2 の Fe 三価のスピンのゼーマンエネルギーは、400 K 程度となり室温レベルに達する。これを⽤いれば、フェルミ⾯や電⼦構造を改変可能な強⼒な強磁場環境が実現
出来るだけでなく、永久磁⽯材料やデバイスのような実⽤材料の研究にも展開出来る。
ii) スピン̶格⼦̶軌道の相関による新現象の探索
室温レベルのゼーマンエネルギーの下では、磁気的エネルギーだけでなく、より⾼い
格⼦や軌道のエネルギーを揺さぶる事が可能になり、これらの多⾃由度の相関によりもたらされる新現象を探索する事が可能になる。
iii) 実時間依存物理現象の探索
パルス中性⼦のパルス性を利⽤して、⽐較的遅い磁性体のダイナミクスを研究することは、時間をあらわに含む実時間依存物理現象を開拓することに繋がる。中性⼦散乱において、ポンププローブ型な計測を⾏う場合、物質をパルス毎に初期化する必要があり、X 線等では光レーザーが⽤いられるが、磁性体と光の相互作⽤は物質によるため、⼀般的には使えない。これに対して、磁場は磁性体と直接結合するので、中性を⽤いたポンププローブ型測定において極めて有⽤な環境となる。

49

3-2. ミュオン科学
飯沼裕美、中沢雄河（茨城⼤学）、仁尾真紀⼦、神⽥聡太郎（理化学研究所）、上野恭裕、
⽥中陶冶、瀬尾俊（東京⼤学）、河村成肇、幸⽥章宏、下村浩⼀郎、永⾕幸則、⻄
村昇⼀郎、野村⼤輔、三宅康博、和⽥道治（J-PARCセンター/KEK）、杉⼭純（豊⽥中央
研究所）、⾜⽴匡（上智⼤学）、髭本亘（J-PARCセンター/JAEA）

ミュオン（ミューオンと書く場合もある、µ粒⼦）はレプトンに属する電⼦と同じ仲間の素粒⼦であり、宇宙から降り注ぐ粒⼦線の主要な成分としても知られている。ミュオンの発⾒から応⽤へと展開する経緯には、湯川秀樹博⼠の中間⼦予⾔をはじめとした⽇本の研究が⼤きな役割を果たしてきた。今⽇、J-PARC物質・⽣命科学実験施設に既設の第１標的（TS1）から供出されるミュオンビームは世界最⾼強度を誇っており、様々な科学研究に⽤いられている。第2標的(TS2)では、強度と共にその輝度、すなわち⾯積当たりのミュオン数もこれまでにない⼤きなものとなる。これにより、TS1とは異なる先鋭的な科学の進展が予想されるので、その実現はミュオンコミュニティからも⼤きく期待されている。
ミュオンは、物性物理や材料科学においてはミクロな視点から物質を探るための超⾼精度探針として⽤いられ、先端的な物質⽣命科学研究の発展へ寄与している。また内部構造をもたないシンプルな粒⼦であるため、森羅万象の根源を求める素粒⼦物理分野においても本質を⾒極めるための極めて有⽤な粒⼦であり、純粋物理から産業まで幅広い分野において重要な役割を果たしている。ここではTS2において期待されるミュオン科学について概観する。

3-2-1. TS1 におけるミュオン科学の現状
まず TS1 の現状から述べる。J-PARC ミュオン施設（MUSE）では、RCS から供出される
⼤強度陽⼦ビームで発⽣させたミュオンを⽤いて、多くの研究が⾏われている。陽⼦ビーム
ライン上では、ミュオン標的は中性⼦標的の上流側に配置されている。全陽⼦中の 5%程度
が、ミュオン⽣成に⽤いられる。MUSE においては、世界最⾼強度のパルスミュオンビームが既に得られている。これを⽤いて、幅広い研究分野で様々な研究成果が得られている。このため、アジアを中⼼に世界中の研究者が利⽤しており、現状においても世界の研究拠点としての役割を⼗分に担っている。なお MUSE は、⼤強度ミュオンビームを可能な限り有効に⽤いるために、⼤⽴体⾓、⼤⼝径、多分割など、⽤途に応じて最適な強度や精度が得られるよう設計されている。
ミュオンは正または負の電荷と最⼩の磁⽯としての性質（つまりスピン 1/2）を有する。

50

さらに、その運動量を広い範囲で調整できる。現状の TS1 では、建設中の H ラインを含めて、4 つのビームラインが整備されている。

U ライン

S ライン

H ライン

D ライン

図 3.32： TS1 におけるミュオビームライン

これら 4 つのビームラインでは、それぞれで特⾊ある研究が進められている。物質⽣命科学
実験に関しては、2008 年度に稼働した D ラインのみならず、2017 年度から S ラインが本格的に稼働し、ユーザー数の拡⼤も加わり、様々な研究成果が⽣み出されている。また、D ラ
インでは、正ミュオンのみならず負ミュオンを⽤いた測定も可能で、後述する負ミュオンＸ
線による元素分析や負ミュオンスピン緩和測定が精⼒的に実施されている。⼀⽅、U1 ラインにおける超低速ミュオンビームについては、ビーム取り出しと基礎的な µSR 信号の測定など、物質⽣命科学実験に向けての準備が進んでいる。

・ 物質⽣命科学実験
TS1 における主たる研究の柱の⼀つが、物質⽣命科学実験である。これは、ミュオンのス
ピンが周囲の電⼦や原⼦核との磁気的な相互作⽤で変化する様⼦を捉えて微視的内部磁場を明らかにする「ミュオンスピン回転緩和（µSR）法」や、特性ミュオン X 線のエネルギーが元素により異なることを⽤いた「負ミュオン特性 X 線元素分析法」などを利⽤している。
現在 µSR 実験は D1 ラインと S1 ラインで展開されており、その対象は固体物性、材料、化学、⽣物など広い分野に渡っている。例えば固体物性の対象は、カイラル磁性、キタエフ磁性、スキルミオンといった広い意味での磁性、鉄系⾼温超伝導、銅酸化物⾼温超伝導、あるいは酸化物半導体など新規な超伝導物質、半導体、誘電体と多岐に渡っている。これらの物

51

性物理のみならず、電池材料などの産業応⽤、化学反応のトレーサー、半導体中の⽔素の微視的状態の分析などにおいて、多⼤の成果が創出されている。また、⽣命科学分野においては、⽣体分⼦中での電⼦伝達機構の解明を⽬指した探索など、新たな科学の創⽣を⽬指した研究が展開されている。
ミュオンによる元素分析は負ミュオン原⼦から放出される特性 X 線（ミュオン X 線）を利⽤したものであり、⾮破壊分析が可能というユニークな特徴を有する。リチウム電池、歴史的な遺物、隕⽯など、⾮破壊での分析が望まれる試料内に含有される元素の定量に威⼒を発揮している。

・ 素粒⼦と原⼦核
⼀⽅で、究極の物理理論である素粒⼦標準理論を検証して、新たな物理理論を構築するため、“既知”とされている物理量を⾼精度で測り、理論との差異である“未知”の部分を探る研
究も TS1 で⾏われている。このようなアプローチは、ILC 等の⼤型加速器により粒⼦の加速エネルギーを極限まで上げることで”未知”の部分を叩き出す⼿法と双璧をなす。世界各国
では、ミュオンを⽤いた超⾼精度測定により、1014 回に 1 回程度起こる事象の発⾒を競っている。MLF TS1 では、複数の超⾼精度測定が提案され、1 年間程度の観測により新たな物理現象の観測を⽬指している。
また原⼦核研究も盛んに⾏われている。ミュオンは電⼦と⽐べて 200 倍重いため、負電荷のミュオンが原⼦に捕獲されると、電⼦と⼊れ換わり、1/200 ⼩さい軌道を回るミュオン原
⼦を作ることが知られている。ミュオンの軌道は普通の原⼦の電⼦軌道と⽐べ原⼦核に近いため、原⼦核の性質（荷電半径）を調べるのに適している。また、重い（質量数の⼤きい）
原⼦核では、ミュオンが原⼦核に吸収されることで起こる原⼦核の変換（原⼦番号が⼀つ⼩
さな原⼦核に変わる）反応を積極的に利⽤することで、様々な分野への応⽤が検討され、基礎研究が進んでいる。
このように TS1 においても多岐にわたる科学研究がなされている。TS2 ではその強度や輝度の⼤きさを活かすことで、質的に異なるサイエンスを含めて、多くの研究に⼤きな発展をもたらす。

3-2-2. TS2 で期待されるミュオン科学の発展
TS2 においては、TS1 の 50-100 倍程度のビーム増強を⾏うなどが提案されている。ミュオンビーム強度の増強は、単純にスケールメリットと呼ぶべき効果を伴う。測定時間は劇的に短縮されるので、⾼統計測定を可能とするだけではなく、時々刻々その状態が変化するよ
うな現象においても、時間依存性を従来にない時間分解能で観測するなど、新しい研究も可52

能とする。特に素粒⼦実験のように年単位のビームタイムが必要な実験においては、実験期間の⼤幅な短縮を実現できる。またビームの⼀部のみを利⽤するような使い⽅も可能となり、ビーム径の微細化（空間的な尖鋭化）や、ビームの単⾊化（運動量空間の尖鋭化）など
により、従来⽤いられたより微⼩な試料や試料内の特定の深さに静⽌したミュオンによる測定も⾏うことが可能となる。
このような TS2 の先端的⼤強度・⼤輝度ミュオンビームの利⽤により、TS1 で⾏われている研究の⾼度化も含めて、以下のようなサイエンスが展開される。

3-2-2-1 物質⽣命科学研究
TS2 におけるミュオンを⽤いたサイエンスの柱の⼀つが物質⽣命科学実験である。これには、ミュオンのスピンの物質との相互作⽤を超⾼感度で検出する µSR 実験や、ミュオン
X 線を⽤いての元素の組成⽐の分析、ミュオンを⽤いた顕微鏡などの⼿法を⽤いる。TS2 に於ける研究は、「離散的な現象から連続的な変化」を追うという、質的な変化が⾒込まれる。
例えば、時々刻々変化する現象に関しては、従来は数分以上の時間平均でしか⾒ることができなかったが、秒単位で連続的に観測することができるようになる。あるいは、物質内部の場所による違いを⾛査的に明らかにする、といった時空間マッピングを、TS2 は可能とする。さらにミュオンによる 3 次元イメージングにより、結晶構造、電⼦状態やスピン状態、
組成⽐、不純物や⽔素状態などの物理量を、物質表⾯から内部に⾄るまで 3 次元的に視覚化できる画期的ツールが実現する。また、⼈⼯的に作り出した極限環境下における物質の状態
や、負ミュオンを⽤いた Z-1 不純物状態の精密分光など、多岐に渡る科学が展開される。
TS2 が物質⽣命科学に与える進展は、主にビームの⾼強度化と⾼輝度化によってもたらされる。100 倍強いビームを完全に活かすことができれば、測定時間は 1/100 に短縮される
し、100 倍⾼輝度なビームを⽤いれば 1/100 の⾯積の試料も測定対象となる。これらは秒単位の測定、あるいは mm 以下のサイズの試料による研究を可能とする。加えて、運動エネル
ギーを 7 桁落とした「超低速ミュオン」を再加速して得られる「マイクロミュオンビーム」
は、強度が落ちるが 10 µm 程度までビーム径を絞ることが可能である。これらを⽤いることで、下記のような進展が⾒込まれる。

(1) 超⾼輝度、⾼強度ビームのもたらす進展(1-1) 測定領域を劇的に減少させることが可能となることによる発展
物質科学の発展に伴って、数多くの機能性物質が創出されている.このため、各新物質の磁気的状態、電⼦状態、あるいは⽔素状態などの諸性質をミュオンで調べたいとの多くの要望がある。しかし、新規な機能性物質の合成量は微量な場合が多いので、⾼精度測定には⾼53

輝度ミュオンビームが必須となる。現状でも数ミリ⾓程度の⼤きさの試料での測定が可能であるが、TS2 は 1 mm2 以下の微⼩試料の測定を可能とする。さらに後述するマイクロミュ
オンビームを⽤いれば、0.1 mm 以下の試料の測定も可能となり、⽣体試料や有機物の結晶、
アクチノイド結晶、あるいは実デバイスの動作状態、⼈⼯超格⼦なども含めて、従来ビームでは測定の対象外だった多くの物質に測定範囲を拡げられる。

(1-2) 短時間測定の応⽤―時間分解測定―
時々刻々変わり⾏く現象を測定するには、その変化の時間スケールより短時間で測定が完結しなければならない。J-PARC の陽⼦加速器が 25 Hz で運転する場合、最短で 40 ms 毎にデータの取得が可能である。実際に⼤きな信号の変化が⾒込まれるような場合には、1 パルスのミュオンでも測定が成⽴する場合もありうる。そのため TS2 は、材料の時効や経時変化を調べるのに極めて有効である。
右図は実⽤材料として利⽤されているアルミ合⾦中のミュオン（即ち⽔素）のトラップ率の時効変化についての観測例である。材料の焼き⼊れ後に、溶質元素と原⼦空孔のクラスター密度が時々刻々増加する結果と解釈されている。このような時効変化は、様々な物質で報

図 3.33： µSR 法により観測したアルミ合金中の水素のトラッピングの 時 効 変 化 [S. Wenner, C.D.
Marioara, K. Nishimura et al., Metall.
Mater. Trans., A50 (2019) 3446.]

告されており、材料特性を理解する重要な鍵となる。またクラスター化反応は、通常不可逆なので、その場同時測定で全てを理解できるよう、可能な限り詳細な結果を得ていくことが求められる。TS2 の⼤強度ビームは短時間測定を可能とするので、従来にない新たな知⾒が得られると期待している。

(1-3) 負ミュオンスピン緩和
負ミュオンを⽤いた µSR（以下 µ−SR とする）は従来あまり⾏われていない。⼀般に正ミュオンは結晶格⼦内でポテンシャルの低い間隙位置に⽌まる。⼀⽅、負ミュオンは原⼦核に捕獲されるので、格⼦点に⽌まり、測定対象物質の分解温度まで安定である。従って、正ミ
ュオンが拡散し始めるような⾼温でも、固定位置から内部磁場を調べることができる。

54

負ミュオンは原⼦核に捕獲され、電⼦の最外殻軌道から内殻軌道へ順次落ち

0.02

込む。この過程で、スピン偏極が 5/6 程が、ほぼ原⼦核位置における局所内部磁

A0P(t)

度失われる。残存する 1/6 の偏極スピン

LF50 Oe
LF20 Oe
LF10 Oe
ZF
TF50 Oe

0.01
0

場に応じて歳差回転する。すなわち µ−SRを正ミュオンを⽤いた µSR と同程度の-0.01精度で測定しようとすると、測定統計を

0(1/6)2 = 36 倍貯める必要がある。最近のJ-PARC におけるミュオンビーム強度の増加、負ミュオンビームの最適化、多チャンネル素⼦検出器の組み合わせによ

MgH2
1

2
3
4
TIME (µs)

5

図3.34：J-PARC MLF MUSEで得られた核磁場緩和する負ミュオンスピン回転緩和スペクト
ル。[J. Sugiyama et al., PRL121, 087202 (2018) ]り、測定可能な計数速度が得られるようになった。しかし、核磁場などの温度依存性等を求めることは、現状ではやはり困難である。
TS2 ではこのような状況は⾶躍的に改善される。すなわち、より⾼い精度で負ミュオンを⽤いた µSR 実験が可能となる。また、TS2 は、負ミュオンの運動量を下げられるので、より少量の試料での測定を可能とする。負ミュオンを⽤いた µ−SR は、軽元素や核磁場の無い元素のダイナミクスを調べるのに、極めて有⽤と考えられ、TS2 実現への期待は⾼い。

(1-4) 負ミュオン特性 X 線測定による元素分析
ミュオンは電⼦と⽐べ約200倍重いため、負のミュオンが原⼦に接触すると、電⼦と⼊れ替わることで原⼦に取り込まれ、電⼦に⽐べ1/200⼩さい軌道を電⼦より200倍⾼いエネルギ
ーで回るミュオン原⼦を作ることになる。このとき、元素に応じてミュオン由来の特性X線を放出するが、そのエネルギーは通常の特性X線に⽐べ約200倍⾼い。このため、物質中に負ミュオンを⽌め、特性X線を計測すれば、ミュオンが⽌まった元素を同定することができる。しかも、放出される特性X線は電⼦由来のものに⽐べてエネルギーが⾼いため、物質の奥深く⽌まった場合であっても、試料に吸収されずに検出できる。さらに、軽元素であっても⾼いエネルギーの特性X線を出すため、リチウムを含む軽い元素から重い元素まで感度良く定量できる。またミュオン特性X線のスペクトラムには同位体や化学結合の状態の情報も含まれており、元素に加えて、同位体の情報や化学結合の様⼦も取得できる。現在TS1でミュオン特性X線測定による元素分析が実⽤化され、様々な応⽤がなされている。TS2では少量の試料での測定が可能となるなど⼤きな発展を遂げることになる。

55

(2) ⾼強度超低速ミュオンビームによる研究の発展
超低速ミュオンビームはエネルギーを最⼩で 0.2keV まで落としたビームであり、そのエ
ミッタンスの⼩ささのため nm オーダーの深さ分解能で物質の表⾯近傍の状態を知ることが出来る。再加速によりエネルギーを変える、即ち試料中への打ち込み深さを⾃在に変えることもできるので、表⾯近傍から内部に⾄る状態の変化を、隠れた界⾯も含めて連続的に知ることが出来る画期的⼿法である。現在 TS1 で開発が進められているが、超低速化のプロセスにおいて⼤きく強度が低下する。TS2 の⼤強度ビームを超低速化すれば、多くの⽤途で許容される強度の超低速ミュオンビーム⽣成も可能となる。

(2-1) 表⾯近傍と界⾯における特異な状態
表⾯近傍や界⾯は物質の特異点とも⾔える領域であり、その状態を知ることは科学から産業まですべてにおいて重要となる。物性物理においても銅酸化物⾼温超伝導体の酸素脱離による磁性の表⾯/内部状態を調べる、絶縁体と⾦属、超伝導体と⾦属の接合部で発現するインターフェース
超伝導の内部電⼦状態の分布を調べる、マルチフェロイッ
ク物質における巨⼤誘電応答の内部位置、スピンと軌道の相互作⽤によって⽣まれるトポロジカル表⾯⾦属（右図）、

図 3.35：トポロジカル絶縁体の表⾯における偏極電⼦
スピン流。[安藤陽⼀，応⽤
物理 81, 1020 (2012).]

軌道のゆらぎによる電⼦対の形成を起源とする鉄系超伝導など、測定候補は枚挙にいとまがない。

(2-2) マイクロミュオンビームの利⽤
超低速ミュオンを再加速することで得られるマイクロビームは最⼩でビーム径を数⼗ µm 以下にすることが可能となる。⼀般に強磁性体における磁区など、物質における分域
構造は数⼗ µm 程度の⼤きさになることが多い。このよう 図 3.36：磁区の例[中本ら、愛媛
な分域の内部を⾒ることで、材料の本質的な評価が初めて ⼤学教育学部紀 63, 227 (2016)より]マイクロミュオンのビーム可能となる。例えば材料内の物性の不均⼀性が何に起因す
径は磁区程度であり、個々の磁るかは⾃明ではなく、分域と分域境界の違いか、異なる分域 区の性質がわかる。
が存在するのか、分域内に⾼次分布が存在するのか、を明らかに出来る。これを利⽤して、例えばハード磁性材料である Nd2Fe14B における分域（磁区）の性質観察等の研究提案がなされている。また、このような分域は強磁性材料だけではな
く、イオン電池物質内部での状態分布、超伝導物質における分域など、平均化されて観測不56

能となる情報や、あるいは何らかの分布と物性の関係など、様々な分域を調べることで多くの未解明な現象を解き明かすことができる。

(2-3) マイクロミュオンビームの⾛査による 2 次元、3 次元イメージング
さらにマイクロビームを 2 次元的に⾛査することで、物質内の状態の情報を２次元的に調べる、あるいはさらに深さ依存を測定することで 3 次元イメージを測定することができる。ここで得られる情報は局所磁場（静的あるいは動的なスピン情報）、ナイトシフト（局所的な電⼦状態）、⽔素状態（不純物の局所電⼦状態）、結晶状態などが含まれ、物質内部におけるこのような量を 3 次元的にイメージングする画期的なツールが実現する。TS2 では 1⽇程度で詳細な 3 次元イメージが得られると予想される。これにより、例えば磁区のような分域においてスピン状態にどのような分布があり、その性質を決めているのが分域内の基本的な相互作⽤であるのか、分域間の乱れといったものであるのか、あるいはリチウム電池
におけるリチウムの分布、超伝導特性の乱れなど物質の性質を決めているのが何かを知る
ことが初めて可能となる。
内部磁場
ナイトシフトダイナミクス
水素の状態
Li拡散
超伝導特性

などが３次元
マッピングされる

図 3.37：マイクロミュオンビームの⾛査によるこれまでにない 2 次元、3 次元イメージング(2-4) 超⾼圧などの極限条件下測定
また、超⾼圧など極限環境実験に関しての期待も⾼い。⾼圧技術の進歩に伴って、地球の内部に匹敵する⾼圧⼒を得ることが可能になり、地球科学、⽔素貯蔵合⾦などの分野で注⽬が集まっている。2018 年に 170 万気圧（170 GPa）の超⾼圧下で超伝導転移温度が絶対温度280K（7℃）の超⽔素化ランタンが発⾒され、ついに夢の室温超伝導が実現した。これらの物質において超⾼圧下での電⼦状態を明らかにすることは必須である。TS2 で実現するマ
イクロミュオンビームを⽤いれば、画期的な成果が得られるものと期待されている。すなわ
ち、通常超⾼圧実験はダイヤモンドアンビルセルなどに詰めた試料への加圧によって⾏われるが、⾼い圧⼒を得るには試料空間を減らすことが必須である。TS2 の⼤強度マイクロミュオンビームであれば、超⾼圧セルに詰めた試料のみに⼊射することが可能で、超⾼圧下での磁性状態、電⼦状態について詳しく調べられる。超⾼圧下での⽔の電⼦状態、室温超伝導転移体である⽔素化合物における超伝導磁場侵⼊⻑の測定などが期待される。

57

(2-5) 透過型ミュオン顕微鏡
透過型ミュオン顕微鏡は、ミュオンの優れた透過能を⽤いて厚い試料を⾼分解能で透過観察するものである。透過型電⼦顕微鏡での典型的な観察可能な試料厚さは数百ナノメー
トルから数ミクロン程度であるが、透過型ミュオン顕微鏡はこれを遥かに超える数⼗ミク
ロン〜サブミリメートルの厚さの試料を、電⼦顕微鏡に迫る分解能で透過観察できる。また、ミュオンは電荷を持つため電磁場分布により位相が回転する性質をもっている。量⼦⼲
渉により位相変化をコントラストに変換する位相差法などを⽤いれば、電磁場分布を可視化することも可能となる。例えば、直径が数⼗ミクロンになる細胞まるごと１個を透過観察
し、トモグラフィ法の適⽤により３次元の構造の可視化や、細胞内外の電場分布の３次元マッピングなどが可能になると期待されている。

図 3.38： 透過ミュオン顕微鏡の構成（左）と目的（右）(2-6) 収束ミュオンビームによるソフトエラー・ハードエラーの研究
宇宙線ミュオンが半導体素⼦中に侵⼊し崩壊した場合、半導体素⼦が論理エラーを引き起こす事（ソフトエラー）が⽰され、航空機や医療機器、近年では⾃動運転⾞などのミッションクリティカルな電⼦制御機器において、宇宙線ミュオンがどのようにソフトエラーを引き起こすかの解明とそれへの対策が喫緊の課題となっている。

58

微⼩収束したミュオンビームを⽤いる⾛査ミュオン顕微鏡は、半導体素⼦中の狙った場
所にミュオンを直接打ち込む「ミュオン誘起ソフトエラー評価試験装置」としての能⼒も併せ持つ。これまでの研究では、広がったミュオンビームを半導体デバイス全体に照射し、素⼦の体積やエラー発⽣レートなどから統計的に現象を推定する⼿法が⽤いられてきた。収束ミュオンを特定の箇所に打ち込み、誘起されるエラーを観察することにより、迅速かつ確定的なソフトエラー研究が可能となり、ひいては耐ソフトエラー半導体の開発に繋がる事が期待される。また、収束によりこれまでにない⾼密度のビームの照射も可能になり、ハードエラー研究にも貢献していくことも期待される。[IEEE Trans. Nucl.

図 3.39：ピンポイントで狙った場所へのミュオン打ち込み。

Sci. 65, 1742 (2018).]

3-2-2-2 素粒⼦物理・基礎物理
ミュオンはその性質が良く知られたプローブとして、物性研究や元素分析など多分野で、その既知の特⻑を⽣かした研究が⾏われている。⼀⽅で、究極の物理理論である素粒⼦標準理論を検証し新たな物理理論を構築するため、“既知”の特⻑を極限の精度で測り、理論との差異である“未知”の部分を探る際にはミュオン⾃体が研究対象となる。⼤型加速器では粒⼦の加速エネルギーを極限まで上げることで”未知”の部分を叩き出す⼿法が⽤いられるが、低いエネルギーで起こる現象を⼤量に集めて、その中から理論と異なる現象を探る⽅法も未知の物理現象探索の主要なものである。前者の代表は LHC や ILC などの加速器で、後者の代表は J-PARC である。TS1 では現実的な時間（数年）内に⾒つけることができない現象でも、TS2 の強度が実現されれば観測可能となる。以下に実例を⽰す。

(1) TS2 による素粒⼦物理と基礎物理の展開(1-1）ミュオン異常磁気能率に現れた理論の綻び
ミュオンを含む荷電レプトンのg-2（gは無次元量ランデのg因⼦（磁気能率））は素粒⼦標準理論で精密に計算することができ、実験値と予想値の差を測ることで標準理論を超える物
理現象の有無を探ることができる。ミュオンのg-2の測定は1960年代に欧州原⼦核研究機構(CERN)で測定が⾏われて以来、60年近い歴史がある。先⾏実験である⽶国BNL E821 実験はミュオンg-2を 0.54 ppmの精度で測定した。これは標準理論の予想値よりも約3σ⼤きい値になっていることがわかった。標準理論の計算は様々な実験データによって精度が向上している⼀⽅、g-2の測定をこのような精度で⾏ったのは⽶国Brookhaven国⽴研究所(BNL)の実験だ

59

けである。素粒⼦標準模型の綻びが顕著に現れている可能性があり、注⽬されている。
素粒⼦の電気双極⼦能率(EDM)はP対称性・T対称性を破る物理量である。CPT定理を仮定
すれば、T対称性の破れはCP対称性の破れを意味する。標準理論ではEDMは極めて⼩さな値を持つと予想されている。これまでの素粒⼦のEDMは、有限な値は測定されておらず、BNLの実験よりミュオンEDMは上限値 1.9´10-19 e・cm(95%CL)が与えられている。
g-2とEDMの測定にエミッタンスが⼩さいミュオンビームを⽤いれば、⼩さいビームサイ
ズとわずかな収束⼒でビームを蓄積することができるため、系統誤差を⾶躍的に改善できる。現在、MLF TS1 Hラインにおいてエミッタンスが従来の1/1,000程度の「低エミッタンス
ミュオンビーム」を⽤いて実験が準備されている。この実験では、最初の段階としてg-2を0.5 ppmで、EDMを10-21 e・cmの感度で測定する計画である。現状の計画はミュオンビーム
強度が精度を決めている。この実験はTS2で実施する計画ではないが、TS1での実験結果や理論値の精度改善などの状況を踏まえて、TS2でミュオンビーム強度が向上することを⽣かすことで、さらに⾼精度を⽬指す実験は今後の検討に値するものである。

(1-2）ミュオニウム基底状態超微細構造の精密測定
⽔素原⼦の陽⼦を正ミュオンで置き換えた原⼦であるミュオニウムは右図に⽰すように⽔素原⼦と⾮常によく似たエネルギー準位をもつが、⽔素原⼦と異なりハドロンの⼤きさや内部構造を考慮す
る必要がない。ミュオンの寿命が 2.2 µsと⽐較的⻑
いこともあって、その精密な分光はQEDの精密検証等に最適な候補となる。現在、TS1ではミュオニ
ウム基底状態の超微細構造のエネルギー差ΔEHFS（右図に⽰す1S1/2状態が F=0 と F=1 に分裂している間隔）の精密測定を⾏い, 超微細構造定数およ

図 3.40：ミュオニウムのエネルギー準

位び、ミュオンg-2測定に必須のパラメータであるミュオンの磁気モーメント（µµ）（あるいはミュオンの質量）を従来よりも⼀桁⾼い精度（超微細構造定数で2 ppb、磁気モーメントで20 ppb）で決定する研究が進⾏中である。この精度では超微細構造に対しての弱い相互作
⽤および強い相互作⽤に基づくハドロニックな真空偏極の効果などを捉えることができる。
この研究はTS2においてさらに進展が期待されている。すなわち利⽤できるミュオン数が50倍多くなることから、1年程度の測定でさらに⼀桁⾼い精度（超微細構造定数で0.2ppb、
磁気モーメントで2 ppb）が達成される。最近ミュオニウムの超微細構造に対してニュート
リノ対交換による効果などが議論されているが、その効果は2 Hz（0.5 ppb）と予想されてお60

り、このような微細な効果に対しても検証可能な領域に迫れる。

(1-3）陽⼦半径の謎
陽⼦は最も単純な原⼦核で、⼈類が最もよく知っているものの⼀つだと思われていた。しかし、J-PARCと同じく⼤強度陽⼦加速器施設であるPSIの研究グループはミュオンで測った
それが従来信じられていたものと明らかに異なることを2010年に発表し、話題となった。これは“Proton radius puzzle”として現在でも未解決の問題である。ミュオンが原⼦核に束縛された系（ミュオン原⼦）のエネルギー構造をレーザー分光することで、ミュオンをプローブとした核構造の研究が可能となる。陽⼦に負電荷のミュオンを束縛させた「ミュオン⽔素原⼦」のLambシフトを精密に分光することで陽⼦の荷電半径を決めることができ、より精度を上げた異なる観点による検証が強く望まれている。
ミュオン⽔素原⼦の超微細構造をレーザー分光することで、陽⼦のZemach半径を求める
ことができる。Zemach半径は電荷分布で磁気能率分布を畳み込んだ量であり、電荷半径で⾒られた乖離が磁気能率を含めた分布においても⾒出されるかどうかを調べることは、謎の解明に向けて⼤きな⽰唆を与えることが期待される。ミュオン原⼦のレーザー分光には⾼強度のパルスレーザーを⽤いるが、ミュオンビームとレーザーを容易に同期可能なJPARCのミュオンビームはこの種の実験を⾏うにあたり最適な環境と⾔える。

(1-4）ミュオン質量・寿命の精密測定
前述の異常磁気能率の測定ではミュオンの磁場に対する応答を観測するための理想的な環境として全く電場の存在しない磁場のみの環境にミュオンを閉じ込め、観測を⾏う。他⽅、⾮常に低いエネルギーのミュオンを⼤量に⽣成することができれば、形状を⼯夫した電磁場中にそれらを閉じ込め、他の物質との相互作⽤のない理想的な環境下で質量や寿命を測定することが可能になる。この特異な⼿法である「⼤強度ミュオン捕獲（トラップ）実験」
は、素粒⼦物理・原⼦核ハドロン物理の両コミュニティの共通の興味が凝縮した結果を期待できる。現在、ミュオンを単独で電磁場内に捕獲するための装置（ペニングトラップ）の開発が検討されている。これによりミュオン質量、ミュオンの寿命測定などを含めた精密測定が可能とする。
実験は2段階で進められ、まずTS1のビームラインでミュオンペニングトラップの基礎実
験技術を開発し、TS2に向けた技術的課題を明らかにする。この⼿法の特⾊は低エネルギーのミュオンを真空中に閉じ込めることで、従来の⽅法とは異なるアプローチでミュオン質
量などが観測可能になる。まさに、低エネルギー素粒⼦実験とも呼ぶべき分野を新たに開拓し確⽴される。

61

(1-5）ミュオンの稀崩壊現象の探索
砂浜の砂粒から稀にしかない“⾦”の粒を探すような実験として、素粒⼦標準理論では許されないレプトン数を保存しないミュオン崩壊過程の探索実験が挙げられる。標準理論を超える物理理論の候補である超対称性を仮定したいくつかの理論のなかで、ミュオンはミュ
オンニュートリノを出さずに崩壊する様式（稀崩壊）の可能性が⽰唆されている。世界中の⼤強度ミュオン施設がその発⾒に向けた競争を繰り広げているが、未だに発⾒には⾄っていない。超対称性理論の中で存在が予⾔されている超対称性粒⼦の質量が⽐較的軽かった
場合、世界中で進められているまたは始まろうとしている実験のいずれかで発⾒される可能性が⾼く、いよいよ発⾒に近づいていると考えられている。仮に現在提案されている実験で発⾒されなかった場合でも、新物理候補を絞り込むことになり、新たな知⾒として重要である。予⾒されている稀崩壊の様式（崩壊モード）には数種類あるが、それらが起こる確率は幾つかある新物理候補により異なる。TS1
でもミュオン電⼦転換過程の探索が計画されているが、超対称性理論とは異なるアプロー
チの新物理探索としてミュオニウム―反ミュ
オニウム転換過程の探索実験も検討が進められている。これは正ミュオンと電⼦の束縛系であるミュオニウムが、負ミュオンと陽電⼦に転換する過程を探索するものである。この研究ではミュオニウムをいかに⼤量に⽣成し、かつその中に埋もれているかもしれない
反ミュオニウムをいかに低バックグラウンドで検出するかが重要である。TS1ではすでに原理実証のためのバックグラウンド測定が⾏わ
れ、TS2のビーム強度を必要とする実験として検討は進められている。
図 3.41：極性を反転したミュオン輸送のイメージ。
ビームラインの極性を反転すれば反ミュオニウム
から乖離した µ-も超低速ミュオン（µ+）と同じ軌
道を通る。

62

(1-6) ミュオンによる原⼦核研究の進展
ミュオン原⼦やミュオンの原⼦核への吸収現象を測定するためには⼤強度の負電荷ミュ
オンビームが必要である。特に原⼦核への吸収反応は、放射性同位体の選択的な⽣成という応⽤を⾒据えることができる。化学・⽣物・医学など既に放射性同位体をトレーサーとして使⽤する分野は多岐にわたり、新たな放射性同位体の⽣成はそれらの分野の更なる発展の可能性を秘めるものである。⼀⽅で、それらの分野で必要とされる量はアボガドロ数程度であり、いわゆる⼤強度ミュオンビームと称する場合のミュオン数との乖離は⼤きい。しかし、TS2 では従来にないビームの引き出し⽅の検討が進められている。従来はビームのエネ
ルギーが揃った単⾊性の良いビームを出し、物質中でのミュオンの停⽌位置などを制御することに主眼が置かれ、⽣成されたミュオンの⼤部分を使⽤していなかった。そこで TS2 ではエネルギーが不ぞろいのままのミュオンを親核に打ち込む運転モードを検討する。逆にミュオン原⼦などの研究において、その励起状態を精密分光する場合、希釈な気体を⽤いて原⼦・分⼦間の相互作⽤を抑制することが望まれる。その場合、⾮常に低エネルギーかつエ
ネルギーの揃ったビームが必要となる。従来、負電荷ミュオンの低速化は⾮常に困難と考えられ、そのため TS1 で実現した超低速の正電荷ミュオンビームのようなものは存在しなかった。質のよい低速負電荷ミュオンビームは、ミュオン原⼦の分光に限らず、素粒⼦分野の次世代加速器であるミュオンコライダー（正負電荷ミュオンの衝突型加速器）への礎として、開発が強く望まれる。負電荷ミュオンの低速化にはいくつかの⽅法が提案されているが、TS2 の⼤強度ミュオンビームによる原理実証が期待される。

63

4. 第２ターゲットステーション施設
4-1. LINAC,RCS 加速器増強
⾦正倫計（J-PARC センター/ JAEA）(1) 既存施設の現状
J-PARC 加速器は、線形加速器（リニアック）、3 GeV シンクロトロン（RCS）、及び 50 GeV
シンクロトロン（MR）で構成されている。物質・⽣命科学実験施設には、リニアック、及び RCS で加速されたビームエネルギー3 GeV、最⼤ビーム出⼒ 1 MW のビームを供給している。2018 年 8 ⽉現在、ビーム出⼒ 500 kW で安定的に MLF での利⽤運転が実施されており、2018 年 7 ⽉ 3 ⽇に、ビーム出⼒ 1 MW で 1 時間の連続運連に成功した。今後は、ビー
ム試験を⾏いながら、利⽤運転のビーム出⼒値を増強する予定である。

(2) 増強案概要
第⼆ターゲットステーション建設に当たり、RCS からの出⼒ビームパワーを現在の 1 MW
から 1.5 MW に増強する。現状の 1 MW 出⼒時と 1.5 MW 出⼒時の加速器（リニアック、及び RCS）の主要パラメータを表 4.1 にまとめる。また、図 4.1 に 1 MW 出⼒時のビームパル
ス形状の概念図を⽰す。

表 4.1：加速器の主要パラメータ
1 MW 出⼒

1.5 MW 出⼒

ピーク電流

[mA]

50

62.5

パルス幅

[µs]

500

600

繰返し

[Hz]

25

25

平均電流値

[µA]

333.3

500

リニアック最⼤エネルギー

[MeV]

400

400

RCS 最⼤エネルギー

[GeV]

3

3

ビーム増強のためには、リニアック、及び RCS 構成機器に対して、以下に⽰す性能向上が必要である。

64

図 4.1：1 MW 出⼒時のビームパルス形状の概念図(3) 概算積算根拠・建設期間i) リニアック① イオン源
ピーク電流 62.5 mA の負⽔素イオンビームをリニアックで加速するためには、ビームロス等を考慮して、ビーム出⼒電流は 70 ｍA 以上のイオン源に変更する。
② RFQ
現在の RFQ は、機器設計をピーク電流 50 ｍA に最適化しているため、ビーム質の劣化抑制やビームロス低減の観点から、70 ｍA に最適化設計した RFQ に変更する。
③ DTL
60mA 以上のビーム加速に対応するために、新型カップラを製作する。
（SDTL は既に対応済みなので新規作成は不要）④ MEBT
リニアックのビームを RCS ⼊射⽤に成形するための機器（ビームチョッパー）を⼤強度⽤に変更する。
⑤ ACS
60mA 以上のビーム加速に対応するために、新型カップラを製作する。
⑥ アライメント
ビームロス低減の観点から、リニアックを再アライメントする。

65

⑦ 冷却⽔設備
ビーム強度が 1.5 倍となるため、加速に必要な⾼周波電⼒も増⼤する。これら⾼周波機器を冷却する設備の増強が必要となる。

ii) RCS① ⾼周波空洞
1.5 倍のビームを加速するために、加速空洞の性能向上を⾏う。具体的には、現在 12 台設置された⾼周波空洞を 1.5 倍出⼒可能なものに変更する。図 4.2 に⼤強度ビーム加速⽤
⾼周波空洞の概念図を⽰す。
② キッカー
ビームロス低減の観点から、現在のシステムを低インピーダンスキッカーシステムに変更する。図 4.3 に低インピーダンスキッカー電磁⽯電源システムの概念図を⽰す。
③ ⼊射部
⼊射部のビームロス低減、及び放射線遮蔽強化のための機器の変更を⾏う。

図 4.2：⼤強度ビーム加速⽤⾼周波空洞の概念図

図 4.3：低インピーダンスキッカー電磁⽯電源システムの概念図

66

4-2. 陽⼦ビームライン
明午伸⼀郎（J-PARC センター/ JAEA）
4-2-1. 既存施設の現状
速い繰返しのシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)からなる 3 GeV 陽⼦シンク
ロトロン加速器から出射した 3 GeV の 1 MW の⼤強度陽⼦ビームは物質・⽣命科学実験施設(MLF)へ、3 GeV 陽⼦輸送施設 (3NBT) を⽤いてミュオン・中性⼦⽣成標的に輸送を⾏っている。
MLF に到達するビームの繰り返しが 25 Hz の場合で、最⼤ビーム出⼒が 1 MW となる。
RCS から出射するビームの繰返しは 25 Hz であるが、⼀部のビームがニュートリノ実験施
設及びハドロン実験施設に輸送されるため、これらの実験施設の繰り返しにより、MLF に到達するビームの繰り返しは 25 Hz を若⼲下回る。2018 年現在でニュートリ実験施設と並⾏して運転する場合には最⼤出⼒は 935 kW 程度となる。2018 年 7 ⽉初旬に、935 kW の⻑
期ビーム試験を⾏ったところ、加速器施設の真空に若⼲の問題はあったものの、問題なく安定に継続したビーム運転ができることが⽰された。図 4.4 に記念写真を⽰す。
MLF では 2018 年６⽉において 500 kW の安定した運転を⾏っている。今後、中性⼦源に⽤いる⽔銀標的の改良により更に出⼒を増強する予定としている。

図 4.4：⻑期間の⼤強度ビーム運転試験の記念写真

67

4-2-2. 増強案概要(1) 施設及びビームライン配置計画
MLF では 1 MW の⼤強度陽⼦ビームを受け⼊れることが可能なことが⽰されたものの、繰り返しが早く⻑波⻑の中性⼦を望む実験者にとっては必ずしも望ましくない。⻑波⻑領域の利⽤を視野にいれ、繰り返しを低くすれば陽⼦ビームを標的で収斂しても標的や窓の損傷が緩和されるため、標的等を⼩型化し中性⼦減速材を標的近傍に配置し、中性⼦の発⽣効率や輝度を MLF より⾼めることが可能となる。また、ミュオン⽣成効率の点でも、⼤阪⼤学の MuSIC のようにソレノイド電磁⽯を⽤いてビーム⼊射⽅向に収斂させ取り出すことにより、ミュオンの発⽣率を上げることが可能となる。これらの要望により第⼆ターゲット
ステーションの建設が望まれる。
ここで、第⼆ターゲットステーション(以下 TS2 と略)の配置を考慮すると、⻑波⻑領域の中性⼦測定に適した⾶⾏距離の⻑い中性⼦ビームラインの建設が可能な配置が望まれる。
現状の J-PARC の全体配置から考慮すると、3NBT の上流側には施設を建設できるスペース
がないため、TS2 は MLF の近傍に設置する計画で進められるべきものである。図 4.5 に TS2の配置案を⽰す。図では、MLF(第⼀ターゲットステーション)の⻄側に配置しており、陽⼦
ビームの⼀部を分配し TS2 に輸送する陽⼦ビームラインを構築する。

図 4.5：TS2 配置案(2) TS2 に分配する時間構造
TS2 にビームを分配する⽅法として、3NBT の途中でビームを分配する⽅法が⼀番容易におけると考えられる。3NBT では将来の増強計画に備え、ビームの取り出しの拡張性をある

68

程度持たせている。図 4.6 に TS2 の配置案と 3NBT の現状を⽰す。3NBT の⽔平偏向部では、拡張性を持たせるため遮蔽体にはブロック構造を⽤いており、このブロックを取り除く
ことにより拡張する事が可能となる。ただし、取り出し部付近において、ニュートリ実験施設や 3NBT ⽤の受電設備が隣接するため、ビームラインの詳細な位置の検討が必要となり、さらに新規ビームラインの幅をできるだけスリムにする必要があるため鉄等を⽤いた遮蔽が必要となる⾒込みとなる。

図 4.6：ビーム取出し部と TS2 配置案。ビーム取出し部近傍の拡⼤を図中の上部に⽰す。

・ TS2 のビーム繰返し周期
現在のところ TS2 への繰返しは決定されていないが、RCS の繰り返しとなる 25 Hz を超えることは無い。したがって、0〜25 Hz の範囲で検討をすすめる。図 4.7 にビームの時間構造を⽰す。検討においては以下の場合を考慮した。
i) 2 バンチの取り出し
パルス偏向電磁⽯を⽤いることにより 2 バンチのビーム取出しは可能となる。
30 GeV
シンクロトロン加速器施設にビームを輸送する 3-50 BT ではパルス偏向電磁⽯をビ69

ームラインに設置し、様々な繰り返し周期でビームの取り出しをパルス電磁⽯により⾏っている。TS2 に取り出されるビーム周期は 0〜25 Hz として検討をする。25 Hz
で TS2 にビーム輸送を⾏う場合では、TS2 に 1 MW 程度のビームが輸送されることとなるが、ビーム輸送系統の系統として上記繰り返しで検討を⾏う。
ii) 1 バンチの取り出し
RCS から出射するビームは 600 ns の間隔となる 2 バンチの運転となる。MLF の実験において 1 バンチ運転の⽅が望ましい実験もあるため、1 バンチの取り出しを⾏うことを検討する。この場合に取り出された 1 バンチは TS2 に⼊射され、もう⼀⽅のビームは MLF に⼊射される。この取出しを⾏うためにキッカ電磁⽯及びセプタム電磁⽯を⽤いて⾏う。RCS の取り出しに⽤いるキッカの仕様を図 4.8 に⽰す。

i)の場合は単純に 1 台のパルス電磁⽯により、TS2 のビームが確⽴することが可能となる。
ii)の場合には詳細な検討が必要となる。またキッカ電磁⽯を⽤いた場合でも 2 バンチビー
ムの取り出しは可能なため、本検討ではキッカ電磁⽯を⽤いた検討を⾏い問題点等を明確にする。

図 4.7：ビームの時間構造70図 4.8： RCS で⽤いるキッカ電磁⽯の仕様(3) TS2 へ輸送するビームラインの検討
TS2 へ輸送するビームラインの検討の前に、TS2 へのビーム取出し部の現状について調査する。TS2 へビームを分配する付近となる 3NBT ⽔平偏向部の電磁⽯配置を図 4.9 に⽰す。
BH1 を直進させ TS2 に分配することができると、現在遮蔽ブロックが積載される拡張ビー
ムラインにビームを引き出すことが可能なため、BH1 を直進させ取り出す⽅法を⽤いるこ

71

ととする。
この⽅法を⽤いることとする。
BH1 から TS2 に向けたビームラインには、
四極電磁⽯ QH1と垂直補正電磁⽯ Y13 が⼲渉するためこれらが無くても成⽴する TS1 ⾏のビームラインを考慮する必要がある。このため、図 4.10 のように QH1 を既設ラインから取外し、QH2〜4の極性を反転させる配置を考慮する。この状態のビームオプティクスを図 4.11 に⽰す。実際のビームを⽤い MLF 向けてビーム試験を⾏い、図 4.11 に⽰したビームオプティクスが成⽴できるか確認試験を⾏った。この結果、800 kW の⼤強度ビームにおいて、図 4.11 のオプティクスで重⼤な損失なく輸送できることが確認できた。また、図 4.11 ではビームの運動量分散が幅に及ぼす影響を防⽌するアクロマティクなビームラインとしているが、これも達成できることを確認した。以上の結果により、図 4.11 のビームラインは成⽴することが確認でき、QH1 を取り外すことにより TS2 に向けたビームラインが成⽴できることが確認された。
なお、ビーム試験により QH2〜4 の極性を反転させない場合には、成⽴しないことも確認された。これにより図 4.12 に⽰す⽚振りの 7.5°の偏向⾓を有するパルス偏向電磁⽯を BH1に設置する事により、2 バンチの取り出しは可能なことが⽰せた。
また、図 4.9 では BH1 の下流に設置される偏向電磁⽯ BH2 において⼲渉が⽣じているた
め、今後 BH2 の形状を変更し⼲渉を防ぐ必要があるが、今後の課題とする。

72

図 4.9：現状の配置案と TS2 への輸送ビームラインの関係。現在遮蔽ブロックが積載されている場所を通過させ TS2 にビームを輸送する計画とする。

図 4.10：既存の QH1 を無くし QH2, 3 及び 4 の極性を反転させた計画案

73

図 4.11：⽔平偏向部の極性反転した四極電磁⽯状態(図 4.10 に表⽰)におけるビームオプティクス

図 4.12：パルス偏向電磁⽯案

74

(4) キッカ電磁⽯の検討
RCS で⽤いられるキッカ電磁⽯を既存のビームラインに合致する様に配置し、ビームオ
プティクスを検討した。この配置を図 4.13 に⽰す。Q 電磁⽯(QB6)を挟んで、キッカ電磁⽯
2 セットを配置した。ただし、配置の都合上 RCS で使⽤される KB1〜5 を上流側に、KA1〜
3 を下流側に配置し、RCS とは進⾏⽅向に関し逆の配置を採⽤した。これらのキッカ電磁⽯
はそれぞれ 12.5 mrad の蹴り⾓を有し、それぞれを KM1(KB1〜5), KM2(KA1〜３)と呼ぶこととする。
BH1 はセプタム電磁⽯とする必要があるため、セプタム化に当たり必要な条件を検討した。この結果を図 4.14 に⽰す。BH1 での最⼤となるビーム⽔平⽅向の⽚幅は 66 mm となる
ため、セプタム⼊⼝で最⼩でもキッカ電磁⽯により 132 mm の蹴り⾓が必要となる。
キッカ電磁⽯を⽤いたオプティクスの検討を⾏った、この結果のビーム軌道を図 4.15 に⽰す。BH1 ⼊⼝での蹴り幅は約 150 mm となり、BH1 のセプタムの厚さが 18 mm 程度に薄くして成⽴できればキッカ電磁⽯を⽤いたビーム取出しが可能となる。
なお、KM2 の下流に設置している四極電磁⽯が収束型の電磁⽯となっている。収束型の電磁⽯は⽔平⽅向に対し収束するもので、KM2 の下流側は更にビームを⽔平⽅向に曲げる発散型の配置が望ましくなる。このためには、TS1 ⾏のオプティクスを変更する必要があるた
め、検討には時間が要するものの、今後の検討を要する。

図 4.13：キッカを⽤いた配置計画75

図 4.14：セプタムにおけるビーム位置案

図 4.15：キッカ電磁⽯におけるビーム位置

76

(5) TS2 輸送系の検討
TS2 のビーム輸送系の検討には、最終的な配置計画が必要とされる。TS2 では標的でビームを収斂させることが肝要となるため、効率的な検討のため、初めに標的でのビーム径に関して検討した。この結果を図 4.16 に⽰す。図 4.16 では TS1 のビームオプティクスを⽤いて検討し、TS1 は最終標的でビームを発散させるところを収束させた。この結果、標的の⽔平⽅向及び⽔平⽅向の 1sにおいて、約 12 mm に収束できることが判明した。ビーム径は、最終四極電磁⽯の配置に依存するため、配置の⾒直しにより 10 mm（1s）は達せられる⾒込みであることがわかった。
なお、TS1 のビーム輸送系の設計経験より、四極電磁⽯は 9m 間隔が最⻑となり、更に耐放射線の観点から最終の 4 台の四極電磁⽯は耐放射線の絶縁材を持つマグネシアを⽤いた
線材(MIC 線材)と同程度の絶縁材を使⽤する必要があると思われる。この検討には、TS2 の出⼒を決定する必要があるが、未決定のまま進めるのであれば 1 MW を規定値として検討を進めるしかないと考えられる。

図 4.16：TS2 におけるビーム輸送案

77

4-2-3. 概算積算根拠・建設期間
・ 概算および積算根拠
3NBT より若⼲短いビームラインとなるものの 3NBT とほぼ同額の概算になる⾒込みである。新規電磁⽯系、真空系、モニタ系、制御系等の装置や、電源室、機械室、機器搬
⼊室、⼊退室管理室及び制御室等の建屋や、さらに空調、冷却⽔システム、排⽔設備、放射線管理システム、圧空、照明等のインフラ整備が必要となり、これらの概算は現状の 3NBT とほぼ同程度になるものと思われる。詳細な検討はこれから進める予定となるが、議論の余地はあるものの第⼀近似としてほぼ正しい値となると考えられる。

・ 建設期間
建屋建設以前に以下の機器の開発が必要となる。これらは段階的な開発着⼿が必要となり、マンパワーや予算確保が重要となる。
Øキッカ電磁⽯Ø

セプタム電磁⽯Ø

⾼電流密度対応型陽⼦ビーム窓

Ø

⾼電流密度対応型プロファイルモニタ

・ 建設開始時
建設開始時には新規ビームラインの建設から着⼿する。建設範囲はビーム運転に⽀障の無い範囲とし、TS1 や他の施設の運転を継続可能とする。開始着⼿から既存の道路は通⾏⽌めとなるために、⼯事⾞両や実験ユーザーの往来に関して念⼊りに調整する必要がある。また可能であれば、新規ビームラインの設置も可能になると思われる。

・ 建設中期
建設中期には J-PARC 全体の運転を停⽌し、既存ビームトンネル付近の接続を⾏う。
また、既存ビームラインでは、遮蔽ブロックの撤去等の⼯事に着⼿する。遮蔽ブロック
は完全に貫通しておらず、⼀部はトンネルを壊す必要があるため、既存のブロックのサーベイを念⼊りに⾏いクリアランスレベル以下であることを⽰す必要がある。クリアラ
ンスレベル以下に達することが可能であれば、TIARA のサイクロトロン加速器でも第⼀種管理区域の壁を壊しメインコイル交換作業を規制庁との相談の元で⾏った実績があるために、容易に作業を進めることができるものと想定される。なお、3NBT では最終偏向電磁⽯における放射化が確認されており、これがほぼ標的で⽣じた中性⼦による78

ことが分かっている。標的で⽣じた中性⼦が、陽⼦ビームダクトの内部を貫通すること
で、距離 120 m 離れた最終偏向電磁⽯のダクトに放射化を発⽣させている。PHITS コー
ドの INCL4.6 を⽤いた中性⼦スペクトルの計算がほぼ実験と⼀致することが分かっており、これによりコンクリート放射化の⾼精度な評価ができると期待できる。
同時に主トンネル側のビームライン機器の⼊替作業を⾏う、主トンネルの管理区域区
分が⼀部⼀般区域に変更する必要があると考えられるため、特に TS2 の取り出し部は機器の⼊替が顕著となる⼀⽅で⼀般区域化しないと拡張できないため、⼊念なる区分変更を⾏う必要がある。
また、TS2 ⽤のキッカ電磁⽯、セプタム電磁⽯等の TS1 型に新規に配置する電磁⽯の電源は、既存の電源室にはスペースがないため新規電源室となる新設建屋のみしか設置
供給できないため、これらの配線作業も計画しておく必要がある。
建設中期では全てのビームを停⽌させる必要となるため、建設時間を最⼩にする必要がある。これは TS2 が管理区域となるまで継続し、TS2 が管理区域になることで TS1 及び J-PARC センターの他の実験施設の利⽤運転が可能となることに留意する必要がある。
少なく⾒積もっても半年、安全側に考慮すれば 1 年間のビーム停⽌期間は必要になるものと予想される。

・ 建設終期
TS2 とのビーム取り合い部のアライメントを⾏い、TS1・TS2 の気密処理も⾏う。また、電磁⽯の通電試験や精密アライメント等も⾏う。終期においては、ビーム運転をある程度⾏い、短期間の運転停⽌期間を設けることにより全体の運転を停⽌せずに進めることが可能と思われる。

・ コミッショニング
TS1 の利⽤運転を開始しつつ、TS2 にビーム供給を開始する。

(1) 運転経費積算
運転経費は TS1 の陽⼦ビームラインとほぼ同等になる予定となる。

(2) 段階的建設になる場合のブレークダウンi) キッカ電磁⽯
既に RCS では開発されたものであるが、TS2 に特化したキッカ電磁⽯の開発が必要となる。⼤電流の使⽤可能な施設において、キッカ電磁⽯の開発が必要とされる。

79ii) セプタム電磁⽯
パルス電源を⽤いなく DC 電源となるものの TS2 に特化したセプタム電磁⽯の開発が必要となる。詳細な磁場計算から開始し、プロトタイプを製作し磁場分布の確認等が必要となる。
iii) ⾼電流密度対応型陽⼦ビーム窓
陽⼦ビーム窓の必要性については、TS2 の標的雰囲気を何にするか次第ではあるが、ス
ウェーデンに建設中の 5 MW の欧州核破砕中性⼦源でも同様な議論がされ、ターゲッ
トステーションは低真空領域としビーム窓を設けることが決定されたため、TS2 においても陽⼦ビーム窓は必要なものとして検討すべきとなる。ただし、今後の開発で真空系統の開発により不要とすることもできるため、標的周辺部の検討を進める価値はある。
MLF で⽤いる陽⼦ビーム窓を図 4.17 に⽰す。陽⼦ビーム窓を⽤いることにより、上流側と明確な分離ができる⼀⽅、窓の寿命が問題となる。TS2 に輸送するビーム出⼒次第
ではあるものの TS2 の 1 MW 運転時において、ビームを標的上で絞るために MLF の約9 倍となる 53 µA/cm2 程度のビーム電流密度となる。このため、⾼電流密度に耐えうる
陽⼦ビーム窓の開発が必要となる。単純なスケーリングでは 4 か⽉に 1 度の陽⼦ビー
ム窓の交換が必要とされることとなるが、現在使⽤しているアルミ合⾦の窓はある程
度寿命評価が⾏えているものの、3 GeV 陽⼦に対し照射後試験(PIE)を⾏ったことがな
いため、PIE の実施が必要と考えられるが、その⼀⽅で ISIS の TS2 においてアルミ合
⾦製のビーム窓が破損したことが報じられていることから、窓の寿命に関する詳細な検討が必要となる。
ビーム窓を⽤いる場合には、寿命の⻑期が重要な技術開発となる。⼀つの候補として、窓も回転させる回転ビーム窓も⾯⽩いアイデアであると思われる。IMPACT ではプラ
ズマウィンドなるものを⽤いることも報じられているので、今後の画期的なアイデアで打破できる⼀つの重要なアイテムとなると考えられる。

80

図 4.17：MLF における陽⼦ビーム窓iv) ⾼電流密度対応型プロファイルモニタ
出⼒次第ではあるものの TS2 は MLF の約 9 倍のビーム電流密度となるため、⾼電流密度に耐えうるビームプロファイルモニタの開発が必要となる。また、現在使⽤している炭化ケイ素型のモニタもどの程度の⼤強度陽⼦ビームに耐えうるか不明である。
核変換ディビジョンや 3NBT では、核変換実験施設の建設や MLF のモニタ⾼度化のために、様々なビームモニタの開発を⾏っている。その⼀つが Ar のような重イオンビー
ムを⽤いた損傷加速試験であり、候補となる蛍光型モニタを取得している。同様な試験をマンパワー増強し継続することで、TS2 に適応可能なモニタを将来開発できるものと期待される。

814-3. 中性⼦源・ミュオン源
原⽥正英、芳賀勝洋・明午伸⼀郎（J-PARC センター/JAEA）、牧村俊助、河村成肇（JPARC センター/KEK）、吉 ⽥ 誠 、飯 尾 雅 実 、槙 ⽥ 康 博 、中 本 建 志 、荻 津 徹 、岡村
崇弘、佐々⽊憲⼀、菅野未知央（J-PARC センター/KEK 低温セクション）

4-3-1. 既存施設の現状
現在、MLF-TS1 では⽔銀標的を利⽤した中性⼦⽣成が⾏われている。陽⼦ビームライン上の中性⼦標的上流 30 m に設置された⿊鉛回転標的によってミュオン⽣成が⾏われている。
ミュオン標的でのビームロスは 5%程度であり、残りの 95%で中性⼦⽣成を⾏うことが出来るため、ミュオンと中性⼦を同時に⽣成し、実験を⾏う事が出来る。ビーム強度は 1 MW, 25
Hz, ダブルバンチ運転を⽬指しており、現在は 500 kW の連続運転を実現している。ミュオ
ン回転標的は安定な運転を達成しており、2014 年の運転開始以来、⼀度も交換していない。
中性⼦⽔銀標的は、製造過程の管理を改善する事によって⻑期安定運転を実現したが、⽔銀に与えられる熱衝撃から引き起こされるピッティングによるステンレス容器表⾯の損傷が寿命を決定する主な要因となっている。そのため、パルス当たりのビーム強度が寿命に⼤きな影響を与える。近年、ヘリウムマイクロバブルを導⼊する事によって、⻑寿命化を⽬指している。
図 4.18 に、TS1 全体の概略図を、図 4.19 に、TS1 の中性⼦源線源集合体を、図 4.20 に、
TS1 中性⼦減速材の概略図をそれぞれ⽰す。⽔銀標的の上下に、液体⽔素減速材を 3 台設置
し、その周りをベリリウム反射体と鉄反射体で囲われている。減速材は、3 台で異なるパル
ス特性の中性⼦が供給できるようになっている。中性⼦吸収材が設置されていない結合型
モデレータは、強度の強い中性⼦パルスを供給する。周りを中性⼦吸収材（デカップラー）に囲まれ、モデレータの中央付近にモデレータを仕切るように中性⼦吸収材（ポイズン）が設置されているポイズン型⾮結合型モデレータは、強度を犠牲にして、⾼い分解能の中性⼦
パルスを供給する。ポイズンが設置されていない⾮結合型モデレータは、結合型モデレータとポイズン型⾮結合型モデレータとの中間の性能を持つ。これら 3 台のモデレータから、23本のビーム孔が設置されており、その下流側に設置された中性⼦実験装置に、中性⼦を供給する（中性⼦ビームライン）。中性⼦ビームラインは、中性⼦ビーム⾃体をオン、オフする
シャッター、中性⼦ビームの整形制御をするための光学装置などにより構成されている。ビームラインによっては、中性⼦ビームの減衰を少なくするためにガイド管を設置したり、偏極ビームを使⽤するための偏極装置を設置したりしている。
ミュオン標的上で⽣成されたパイオンまたはミュオン（以下：ミュオン等）は⼀次ビーム82

ラインの東⻄両側に配置された 4 本の実験エリアに輸送される。ミュオン等は荷電粒⼦であるため⼀次ビームライン近傍に設置されたソレノイド電磁⽯、四重極電磁⽯によって捕獲された後に実験エリアまで輸送される。その標的を⾒込む⽴体⾓と磁場強さが実験エリアへ輸送されるミュオンの性能を決めるが、幾何学的な⼲渉と捕獲系電磁⽯からの漏れ磁場が陽⼦ビーム軌道に与える⾮対称性の影響によって実験エリアに輸送されるミュオン等の強度が制限される。
陽⼦ビーム時間構造は 25 Hz で 1 バンチ 100 ナノ秒が 600 ナノ秒の間隔でダブルバン
チ構造を有する。そのため中性⼦実験の観点では、冷熱中性⼦を⽤いる実験には⾶⾏時間が⼗分⻑いため、中性⼦パルスの時間分解能に影響は無視でき、強度に利得があるが、熱外中性⼦や⾼速中性⼦を⽤いる実験では中性⼦パルスの時間分解能に⼤きな問題を抱える。⼀⽅で、ミュオン実験の観点では、陽⼦ビームの時間構造がミュオンの時間構造となるので、原則としてシングルバンチで⼤強度のビームが供給されることが望ましい。

図 4.18：現在の TS1 上⾯図

83

ターゲット・モデレータ・反射体集合体

3台の液体水素
モデレータ

パルス中性子ビーム

水銀ターゲット
パルス陽子ビーム
3GeV, 1MW, 25Hz
鉄反射体
ベリリウム反射体

Neutron Intensity (Log. scale)

図 4.19：TS1 の線源集合体

ポイズン入り非結合型
モデレータ (PM)

非結合型モデレータ(DM)

高分解能

高強度＆高分解能

ポート：6台0.0Time [ms]1.0結合型モデレータ (CM)
ポート：11台

ポート：6台-Ag-In-Cd (AIC)デカップラーの採用（Ed=1eV)-低パルステールのための最適化された
デカップラー設置範囲-Cdポイズンの採用

高強度
水銀ターゲット

陽子ビーム- 大型＆円筒- 広角ビーム取り出し- パラ水素100％水素に最適化
図 4.20：TS1 における中性⼦減速材概略図84

4-3-2. 増強案概要
4-3-2-0. TS2 の基本概念
図 4.21 に、TS2 の基本概念を⽰す。中性⼦源とミュオン源を共通化し、コンパクトで、⼤強度化を⽬指す。また、⻑寿命化、⻑波⻑側の活⽤、⾼輝度化がキーとなる

図 4.21：TS2 基本概念

4-3-2-1. TS2 における中性⼦源
⼤強度陽⼦加速器における中性⼦源としては、現段階では⽔銀標的、鉛ビスマス標的、タングステン回転標的を候補として挙げており、それぞれの検討を継続していくが、⾼寿命化、⾼強度化が期待できるタングステン回転標的を主案に置く。RCS で、1.5 MW 相当の運
転を⾏い、TS1 へは 25*2/3 Hz（1 MW）、TS2 へは 25/3 Hz（500 kW）を送ることを考えている。ただし、この実現には、TS1 における⽔銀標的のピッティング問題の克服が必須である。
克服できない場合は、TS1、TS2 とも、1 パルスのうち 2 バンチを分岐して、それぞれ 25
Hz(750 kW)を⾏う選択肢しかない。

4-3-2-2. 中性⼦⽣成効率
中性⼦⽣成効率の観点からはタングステンは密度も⾼く他の⼆⽅式よりも優れている。
陽⼦ビーム形状、標的形状、標的と減速材の位置関係、減速材の最適化など進めることによ85

って、中性⼦輝度を 10 倍まで向上させることが出来る。そこで、粒⼦輸送シミュレーショ
ンコード PHITS を⽤いて、提案するモデルの利得を評価した。図 4.22 が、その計算⽤いた計算モデルである。標準案としては、回転タングステンターゲットを⽤い、ターゲット上部に直⽅体形状の結合型液体⽔素モデレータを設置し、ターゲット下部に⾮結合型液体⽔素
モデレータを設置した。TS2 ⽤として、⾼速中性⼦、超冷中性⼦、熱外中性⼦の強度をあげることも⽬的とする。そのため、ターゲットを直接⾒ることで、⾼速中性⼦の供給するポート、低温重⽔素モデレータを⽤いて、超冷中性⼦を供給するポート、モデレータに設置された軽⽔モデレータを⾒ることで、熱外中性⼦を供給するポートを設ける。冷却⽔は、軽⽔を使⽤し、反射体は、内側ベリリウム、外側鉄とする。結合型モデレータは、厚さの⼤きなものを⽤い、⾮結合型は、ポイズン板を駆使して、４⽅向から取り出せるようにする。図 4.23は、最適化する前の各ポート、モデレータからの中性⼦強度のエネルギー分布を⽰している。⽐較のために TS1 の BL03、BL08、BL11、BL19 からのデータも載せている。
タングステンは、⽔銀よりより中性⼦を発⽣させる。回転タングステンターゲットを⽤いた場合、⽔銀ターゲットよりも 1.2 倍の利得が得られる。
ターゲットの⼤きさは、
直径 120cm、厚さ 6cm が最適である。モデレータの位置、厚さ、⾼さ、反射体サイズなどを最適化すると、TS2 の結合型モデレータは、TS1(BL03)に⽐べて、冷熱中性⼦領域で、輝度で 10.3 倍の利得が得られることが分かった。
タングステンの先端部分を炭素や鉄などの軽い材質に変えると、中性⼦の強度を損なわず、ミュオンの強度を増加させられる。
⾮結合型モデレータの最適化や、⾼速中性⼦、超冷中性⼦、熱外中性⼦ポートの最適化
はこれからであるが、結合型と同様な強度増が期待できる。

86

非結合型モデレータ

タングステンターゲット

タングステンターゲット

陽子ビーム
Be反射体
Fe反射体

結合型モデレータ

超冷中性子
モデレータ

高エネルギー照射ポート

軽水
モデレータ
超冷中性子用
重水素モデレータ

4面取り出し非結合型
液体水素モデレータ

結合型
液体水素
モデレータ

図 4.22：中性⼦強度評価⽤計算モデル87

図 4.23 計算された中性⼦スペクトル
左上図：結合型モデレータ、右上図：⾮結合型モデレータ、下図：⾼速中性⼦ポート

4-3-2-3. 中性⼦源実現可能性(1) ⽔銀標的、鉛ビスマス標的
⽔銀標的は従来の MLF での建設当初からの運転実績を持ち、⽶国 ORNL-SNS でも⻑い実績を持ち、実現可能性は⾼いが、現在の⽔銀標的はパルス陽⼦ビームによって引き起こされるステンレス製の⽔銀格納容器のピッティング損傷が寿命を決定づける主要因である。
そのためヘリウムバブリングにより⻑寿命化を⽬指しているが、1.5 MW 相当の運転は、より厳しい条件を与えると予測され、引き続き MLF での実績を積み上げる事が期待されている。
鉛ビスマスの共晶体合⾦(LBE)を標的は加速器駆動型核変換システム(ADS)の標的及び冷却材の有⼒な候補として期待されており、J-PARC の核変換ディビジョン、中国の ADS(CADS)及びベルギーの原⼦⼒研究センター (SCK・CEN)等において精⼒的な開発が進められており、ベルギーの ADS 実験炉 (MYRRHA)の計画では既に予算を獲得し、超電導加速器の開発を開始した。また、LBE はスイスのポールシェラー研究所(PSI)の核破砕中性⼦源88

(SINQ)において、既に使⽤された実績を有し、以前に SINQ で通常使⽤されていたジルカ
ロイ合⾦より中性⼦⽣成量が増⼤した事が報告されている。LBE を核破砕中性⼦源等の標的として⽤いる場合には、ビスマスの中性⼦吸収反応により毒性の極めて強いポロニウム⽣成が問題となるため、他の液体⾦属標的の候補となる⽔銀より中性⼦⽣成量は多くなる
ものの、標的の取り扱いが更に困難となる。また、SINQ や ADS では連続ビーム(CW)を⽤いるため問題とならないが、TS2 の場合には短パルスビームを⽤いるため⽔銀標的で問題となるピッティング損傷が⼤きな問題となる。⼆次粒⼦の輝度を⾼くする TS2 では、ビームのパルス当たりの電流密度が TS1 より遥かに⾼くなる。さらに⽔銀より発熱密度が⾼くなるため、LBE を標的に⽤いる場合には、過酷な条件におけるピッティング損傷の緩和が重要な課題となる。また、LBE を標的に⽤いる場合には、LBE の融点が⽔銀の温度より⾼
いことも考慮する必要がある。LBE の標的温度は少なくとも 300℃以上とする必要がある
ので、LBE 内で⽣成したトリチウムが標的容器を透過する。このため、LBE を⽤いるばあ
いにはトリチウムの取扱い技術のさらなる⾼度が要求される。

(2) タングステン回転標的
欧州 ESS において 5 MW のタングステン回転標的を⽤いた中性⼦源が計画されている。
タングステンは、本質的に再結晶脆化、照射脆化の課題を抱える脆性材料であり構造材料として使⽤できない。そのため、鉄系の構造材料に分割されたタングステンブロックを並べる
事によって回転体を構成している。タングステン標的の最⾼温度を再結晶温度以下に抑制
し、熱応⼒を緩和するために直径 2 m のタングステン回転体をヘリウムによって冷却している。

図 4.24：ESS タングステン回転標的参考図（https://europeanspallationsource.se/article/building-heart-ess-spain）
TS2 においては、トータルのビーム強度は ESS と⽐較して⼩さいため、タングステン回転体をコンパクトにし、ビーム径を⼩さくすることによって中性⼦⽣成効率を上昇させると同時に、寿命到達後の使⽤済みタングステン回転標的すなわち放射性廃棄物の低減を図89

る。ESS との協⼒体制を構築し、運転実績を参考にする事によって最適化を図る。

4-3-2-4. TS2 におけるミュオン源
TS2 においては、陽⼦ビームとミュオン等捕獲系を同軸にすることによって、⼤⽴体⾓でミュオン等の取り出しを実現する。本⽅式は⼤阪⼤学 RCNP-MuSIC 施設で実現されており、
J-PARC COMET 計画にも採⽤される計画である。また、同時に中性⼦源をミュオン源として利⽤する事によって 50~100 倍の正負ミュオンの利⽤を⽬指している。この時にはミュオン・中性⼦源の冷却⽅式によって陽⼦ビーム窓が必要になり、⽣成されたミュオン等が陽⼦
ビーム窓で減少する事を考慮する必要がある。陽⼦ビーム窓の存在によってミュオン等の輸送効率が⼤幅に低減するようであれば、独⽴なミュオン源を採⽤する可能性もある。この時にも、従来の MLF のように中性⼦源の 30 m 上流にミュオン源を設置するのではなく、中性⼦源に近接する事によって、極⼒、放射化した⼀次ビームラインの構成機器を減らす⽅
針を検討する。ミュオン源・中性⼦源共通⽅式にしろ、ミュオン源独⽴⽅式にしろ、先述したミュオン等の⼤⽴体⾓取り出しによって実験エリアにおける〜倍以上のミュオン⽣成効率を⽬指す。

(1) ミュオン源・中性⼦源共通⽅式
⽔銀標的、鉛ビスマス標的⽅式の場合は、その圧⼒差や安全性を考慮してビームライン真
空との隔壁として複数の⾦属製の窓材が⽤いられる。この時、⽔銀標的や鉛ビスマス標的で⽣成されたミュオン等は窓材を貫通する事が出来ないため、窓材そのものがミュオン源となる。その場合の、ミュオン⽣成効率は従来の⽅式（TS1）の 10 倍程度である。
タングステン回転標的の場合は、現段階ではヘリウム冷却⽅式が採⽤される可能性が⾼い。この時、⽔銀標的や鉛ビスマス⽅式ほど複数の⾦属窓は必要ないが、実験エリアに輸送されるミュオン等の効率には注意深い評価が必要となる。
ミュオン等の輸送の妨げとなる⾦属製窓を設置しないために、タングステン回転標的を
輻射冷却する⽅式も考えられる。TS2 では ESS と⽐較して総発熱は⼩さいため実現できる
可能性はあるが、再結晶脆化や照射脆化を起こしにくいタングステン材料の開発が必要となる。また、冷媒の隔壁としての陽⼦ビーム窓は必要ないが、標的中で発⽣したトリチウム
等の放射性物質の拡散を防⽌する陽⼦ビーム窓は必要となる可能性が⾼い。この場合は窓の両側に付加される圧⼒差は⼩さいが、陽⼦ビームによる発熱や照射損傷は注意深い評価が必要となる。
TS2 での標的の場合、⽔銀標的、鉛ビスマス標的、タングステン標的のいずれの場合でも、ミュオン捕獲⽤のソレノイド磁⽯からの漏れ磁場中で導電体が移動する事となり、発⽣す90るローレンツ⼒が標的システムに与える影響を評価する必要がある。

(2) ミュオン源独⽴⽅式
ミュオン源独⽴⽅式の場合は、ソレノイド中の真空内に従来の⿊鉛標的または SiC 標的を設置する事によって効率的にミュオンを⽣成させることが出来る。この時には、総発熱は⼩さいため 2008 年から 2014 年に利⽤していた固定標的⽅式を採⽤することが出来る。ビ
ーム径を⼩さくする要請がある場合には、現在、稼働中の回転標的を採⽤する事も可能である。

(3) ミュオンビームラインの光学設計TS2 でのミュオンビームの取り出しは陽⼦ビームの⼊射⽅向と反対向きになる。陽⼦ビームの⼊射⽅向に対して反対⽅向に放出される表⾯ミュオン（4 MeV µ+）または正負パイオン（最⼤ 150 MeV/c 程度）からの崩壊ミュオンを輸送することを⽬的としたビームラインとなる。

図 4.25：ミュオンビームラインの概念図

標的から放出されるミュオン・パイオンを捕獲する⼤⼝径のソレノイド電磁⽯（MS01）とそれに続く偏向電磁⽯（MB01）が陽⼦ビームライン上に設置される。MB01 は運動量の違いから陽⼦ビームとミュオンビームを振り分けるために⽤いられる DC 電磁⽯である。
陽⼦ビームの運動量はミュオン・パイオンのそれに⽐べて 25 倍（パイオンで 150 MeV/c の場合）以上⾼いため、MB01 より上流側での補正により中⼼軌道は標的へ平⾏⼊射する。
MS01 はミュオン・パイオン捕獲のため中⼼磁場で 1 T、コイル⻑で 2 m 程度のソレノイド
電磁⽯が検討されている。陽⼦の軌道はソレノイド磁場に巻き付くため中⼼軌道のずれは⽣じないが、プロファイルは回転するため円形に近いプロファイルでの⼊射が望ましい。

91

MS01 と MB01 の間には光学設計上 2m 程度のドリフトスペースを設けているが、メンテナ
ンスやビーム診断などを考慮した機器の設置が検討されている。MB01 は 5 ⾓形の頂点の⼀つ（陽⼦の⼊射⽅向）の⾓を落とした形状である。これはセクター型の偏向電磁⽯を左右に重ねた形状であり、正負ミュオンの振り分けを⽬的とした構造である。リターンヨークを左右に設けた H 型の偏向電磁⽯が検討されている。MB01 を抜けた後の表⾯ミュオンビーム
は 2 台のソレノイド電磁⽯で輸送される。この 2 台のソレノイドには逆向きの磁場が印加され、ビームの収束を⾏うとともに横⽅向の運動量分散をキャンセルする働きがあり、下流側への⾼効率のビーム輸送を実現する。また、多数の四重極電磁⽯によるビーム輸送の場合と⽐べて漏れ磁場によるエミッタンスの増加を抑えられている。この 2 台のソレノイドの間を埋めるようにソレノイド電磁⽯を配置することでパイオンの崩壊セクションとし、崩壊ミュオンの輸送も可能になる。このようなビームラインの光学設計は TS1 のミュオン H
ラインで確率したもので、同様に⼤⼝径ソレノイドでミュオン捕獲する COMET や Mu2e などのビームラインと異なり、⼤強度ビーム、運動量可変性、実験エリア輸送後の汎⽤性（µSR
分光器やオープンスペースへの出射が可能）において優れている。このような特徴は MLFという多様性・汎⽤性に重きを置く研究施設に最適なものである。正負ミュオンを左右に分割することで、増加傾向にある負ミュオン実験に適している。

図 4.26 ミュオンビームラインの光学設計（ビーム軌道シミュレーション）：表⾯ミュオン（左）と崩壊ミュオン（右）MS01 の形状はÆ 600 mm ´ L2000 mm での初期光学設計が実施された。⾼放射線場での使⽤となるため MIC が線材候補であるが、希⼟類⾼温超電導体（REBCO）線材による省電⼒化、またそのための放射線遮蔽と⼤⼝径化などの検討も進められている。MB01 より下流の

92

ソレノイドはÆ1000 mm ´ L2000 mm で検討されている。こちらも従来の NbTi 線なども含
め超電導電磁⽯による製造が検討されている。

(4) 超伝導磁⽯を⽤いた捕獲ソレノイド

超伝導磁⽯を使った捕獲ソレノイドは、⼤阪⼤学核物理センターの MuSIC ビームライン[1]で実⽤化されている。MuSIC では、直径 0.9 m、⻑さ 1 m の超伝導コイルを使って、磁⽯中⼼に置かれた⽣成標的からのパイオンを捕獲している。この超伝導磁⽯は、NbTi 超伝導線が使われており、3 台の GM 冷凍機（冷凍能⼒ 4W＠4K）によって冷却される。MuSIC で想定する放射線による核発熱は 1 mW/kg であり、線量にすると１年あたり 10 kGy である[2]。
MLF 第２標的の捕獲ソレノイドに使⽤できる超伝導磁⽯が、J-PARC 低温セクションによって検討されている。より⾼い放射線量に耐えるために、⾼温超伝導体を⽤いた超伝導磁⽯を想定している。極低温では熱伝導率や熱容量が⼩さいため、⾼放射線環境では超伝導コイ
ルを NbTi が使える極低温に維持するのが難しいが、20 K 程度の温度であれば、これらは格段に⼤きな値となるため、実現可能性が⾼くなる。そこで、⽂献[3]では⾼温超伝導体 REBCO
を使って、MuSIC の捕獲ソレノイドと同等性能を実現するためのデザインスタディが⾏われた。
MLF 第２標的⽤には、より⼤きな磁⽯が必要となる。ここでは、図に⽰すような、直径
1 m、⻑さ 2 m の超伝導コイルを想定する。幅 10 mm のダブルパンケーキコイルを 200 セッ
ト連ねる構造とする。各コイルは REBCO テープ材を 30 ターンずつ巻き、運転電流 200 Aを流す。このとき予想される磁場分布を図に⽰す。コイル中の最⼤磁場は 1.12 T であり、⽣成標的上にはおよそ 0.2 T の漏れ磁場が⽣じる。導体中の電流密度を 128 A/mm2 とすると、20 K におけるロードライン⽐は 0.37 となる。
この超伝導磁⽯には、⾼放射線環境に対応するため、絶縁、冷却、クエンチ保護に関して、さらなる開発が必要と予想される。放射線による核発熱を 1 W/kg（1 Gy/sec に相当）と仮定
すると、およそ 320 kg の導体中で 320 W の発熱が⽣じ、１年あたり 10MGy の被ばく量となる。この場合、無機絶縁材料を⽤いることが望ましいので、低温セクションでは超伝導磁⽯に無機絶縁を適⽤するための研究開発が進められている。また、⾼放射線環境下では、冷媒の放射化を低減し、かつ核発熱を抑えるために、間接冷却⽅式が望ましい。20 K 程度に冷却されたヘリウムガス配管を磁⽯内に導⼊し、伝熱でコイルを冷却する。導体のみならず
およそ１トン程度のコールドマス全体に核発熱が⽣じるので、これを冷却するためのヘリ
ウム冷凍機が必要であるが、⽔素アブソーバ等、他の設備と共⽤できる可能性もある。冷却設計では、ガスの熱交換効率や伝熱パスの熱伝導率を考慮する必要があるが、熱伝導率は放93

射線によって劣化することが予想されるので、クエンチ保護でも劣化を考慮して設計することが求められる。J-APRC 低温セクションでは、これらの設計検討を進める予定である。

図 4.27：超伝導捕獲ソレノイドの概念図

図 4.28：超伝導捕獲ソレノイドによる磁場分布。横軸は標的前⾯からの距離を表す。

[1] “A Highly intense DC muon source, MuSIC and muon CLFV search,” Y. Hino et al., Nucl. Phys.
B Nucl.Phys.Proc.Suppl. 253-255, 206-207 (2014).

94

[2] “Superconducting Solenoid Magnets for the MuSIC Project,” M. Yoshida, et al., IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol.21, No.3, 1752-1755 (2011).
[3] “Influence of neutron irradiation on conduction cooling superconducting magnets,” Y. Yang et al.,IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng., Vol.101, 012054 (2015).

4-3-2-5. ビーム強度
MS01 をミュオン⽣成標的に隣接させることでビームラインへの取り込み⽴体⾓の最⼤化を図っている。標的材料のちがいによるゲインは表⾯ミュオンでは 2 倍程度と⼤きくはない。これはパイオンが標的静⽌位置から抜ける必要があるため、パイオンの⽣成効率とパイオンから⽣成したミュオンが標的から抜ける効率がほぼ相殺してしまうためである。
ただし、原⼦番号が⼤きい元素では中性⼦/陽⼦⽐率が⾼くなり、p-の⽣成に有利になる。
運動量の⾼いp-では、この傾向が顕著に⾒え TS1 の⿊鉛と⽐べ 5 倍近い⽣成効率を得る。
以上の効果を総合すると TS2 でのビーム強度は TS1 D ラインと⽐べ表⾯ミュオンでは 50倍、崩壊ミュオンではそれ以上となる。

4-3-2-6. 遠隔保守設備
ミュオン源・中性⼦源は⾼度に放射化するため遠隔操作による保守が必要となる。基本的な交換シナリオは現在の TS1 を踏襲する。ミュオン源・中性⼦源は台⾞によって、遠隔操
作室内に引き出され保守が⾏われる。モデレータや反射体などの標的周辺機器はキャスクを⽤いて、メンテナンススペースを遠隔操作室まで輸送される。遠隔操作室は、重量物の移動を⾏うインセルクレーン、重量物の取り扱いおよび締結ボルトの締め付け・緩め機能を備えたパワーマニュピレーター、反射体等を保守する保守架台、交換作業を⾏う交換装置を備える。遠隔操作室壁⾯には、鉛ガラスの窓を備えると共に、汎⽤的な作業を実現するマスタースレーブマニュピレーターを配備する。セル内カメラによって作業補助を⾏う。TS１での経験を⽣かし遠隔操作室を⼩型化することによってコスト削減に努める。使⽤済み放射
化機器は保管室で保管後に、別途、建設済みの保管施設に輸送する。

4-3-3. 概算積算根拠・建設期間
概算積算費⽤は、以下のとおりである。建設期間は、既存の施設の調整が必要であるが、設備のみなら 3 年から 5 年、設計期間からコミッショニングまでを考えると 10 年となる。

標的循環設備2,000,000 千円

遠隔操作機器1,500,000 千円

95極低温設備

1,500,000 千円

シャッター＆遮へい体

1,000,000 千円

付帯設備

1,000,000 千円(合計)

7,000,000 千円

4-3-4. 運転経費積算
運転経費積算は、以下のとおりである。予備機の製作、放射化物の保管、定期メンテナン
スなどの経費である。

標的循環設備

200,000 千円

遠隔操作機器150,000 千円

極低温設備

150,000 千円

シャッター＆遮へい体

100,000 千円

付帯設備

100,000 千円

電気代

200,000 千円(合計)

900,000 千円

4-4. 建屋
柴⽥薫（J-PARC センター/ JAEA）

4-4-1. 既存建家第１ターゲットステーションの現状【概要】
現在稼働中の物質・⽣命科学実験施設 Materials and Life Science Experimental Facility（MLF）
第１ターゲットステーションは、物質および⽣命科学における様々な実験のための 1 MW
パルス核破砕中性⼦源およびミュオン源からなる。図 4.29 に MLF の最終的な構成イメージを⽰す。 施設ビルの⼨法は、⻑さ 150 m、幅 70 m、⾼さ 30 m である。 MLF は、図 4.30 に⽰すように、陽⼦ビームラインを介して 3 GeV、333 µA、25 Hz のパルス陽⼦ビームを⼊射する。 陽⼦線の約 6％は、ミュオンの発⽣ターゲットとミュオンの発⽣ターゲットの直後に位置するコリメータで散逸する。 残りのビームは中性⼦製造⽔銀ターゲットに⼊射される。 MLF ビルの建設は 2004 年 1 ⽉に開始され、2007 年 4 ⽉に終了した。
図 4.31 は、ターゲットステーション、照射部品取扱室の⼀部、および⼤型部品の取扱室を⽰す破断図である。⽔銀ターゲットと⽔銀循環ループはターゲットトロリーに設置され96ている。⽔銀循環ループは、最⼤流量 60 m3/h.で⽔銀をターゲット容器に供給する。リフレ
クタ - 減速器アセンブリは、交換プラグの底に固定され、ヘリウム容器内に設置される。
ターゲットで⽣成された中性⼦は減速材で適切なエネルギーに減速され、中性⼦ビームは
中性⼦ビームラインを通じてユーザーの装置に供給される。最終的に 23 の中性⼦ビームラ
インが実験室に設置される。極低温 H2 循環システムは、⼤型コンポーネントルーム内のターゲットステーションの下流に位置している。減速材容器および反射体は、反射体プラグを⽤いてターゲットステーションから垂直に取り外すことができる。 130 トンクレーンを備えた移送キャスクを使⽤して、減速容器と反射器を引き上げ、遠隔操作で操縦室の照射室に移送する。⽔銀ターゲット容器、減速材容器、⽔銀循環部品などの使⽤済み部品は、地下の照射部品保管室に⼀時的に保管される。

【建家配置】
図 4.32 に建物の 1 階のレイアウトを⽰す。 3 GeV 陽⼦ビーム輸送ラインは、建物の中央に位置している。 陽⼦ビームラインの両側に位置するように 2 つの巨⼤実験室が設計された。 各実験ホールは、上流部「ミュオンサイエンス」と下流部「中性⼦散乱」の 2 つの領域に分かれている。 施設設計の第⼀の優先事項は、最⾼の性能を得るために⼗分な実験機器を収容することとした。 MLF 建物の外部空間は、建物および中性⼦ビームラインの将来の拡張のために確保されている。 この施設では、ほとんどの放射化物は、ターゲットステーションのちょうど下流に位置するホットセルに位置する。 したがって、ホットセル内の空気を負圧に保つ空調システムは、⾮常⽤電源に接続されている。 図 4.32 では、グレーの部屋以外の全領域が放射線管理されている。
図 4.33 に MLF ビルの 2 階レベルを⽰す。 放射線管理区域は、⼀般利⽤者が⼊ることができる区域と施設職員だけが操作及び保守のためにアクセスできる区域とに更に分割される。 2 階にはアクセスコントロールルームがある。 すべての要員は、放射線管理区域に⼊るためにアクセスコントロールルームを通過しなければならない。
図 4.34 に施設建物の 3 階レベルを⽰す。 施設の制御管理室はこのフロアレベルにある。
ターゲットステーションと陽⼦ビーム輸送ラインにアクセスする必要があるときは、MLF
ビルの中央にある⼤型コンポーネントハンドリングルームからアクセスする。
図 4.35 に施設ビルの地下階を⽰す。 照射されたコンポーネント保管室や 1 次冷却システ
ムのコンポーネント室などのユーティリティルームは、地下にある。

97

4-4-2. 増強案概要
第 2 ターゲットステーション（TS2）の建家の概略配置案を図 4.36、図 4.37 に⽰す。
第 2 ターゲットステーション（TS2）の建家及び設置する設備の仕様に関しては、ター
ゲットステーションの TMR 仕様、設置が想定される測定装置の仕様など、TS2 を構成する各要素から要求される
・電⼒
・冷却⽔
・排気設備
・機器の設置空間・その他などを積み上げて総合的に調整・検討する必要がある。各構成要素からの要求仕様がまだ不明な点が多いため詳細な検討に⾄っていない。

建家の分割案の提案

設置が提案される測定装置が⽐較的線源から離れた位置に試料位置を持つ⻑尺の装置が想定され、議論される当初建設時の予算低減の為、段階的建設による建設予算のブレークダ
ウンを可能にするため中性⼦、ミュオンを発⽣させるターゲット建屋と各測定装置の設置される実験装置建家群の構造を分離する、下記の建家分割案を提案する。図 4.38 参照。
(建設優先度の順に)・ターゲット建家・４０M 実験装置建家
・９０M 実験装置建家・その他⻑尺実験装置建家
・３０M 実験装置建家

⻑所：・ 第⼀次建設時の予算低減の為、段階的建設による建設予算のブレークダウンが可能になる。具体的には、ターゲット建家と数台の Day-1 測定装置設置⽤の建家のみの建設が可能になる。
・ TS1 建設時と同様に、床⾯耐荷重の⼤きい建家となることが想定されるターゲット建家の敷地に⼟台となるパイルの打ち込みを集中させることが可能である。⼀⽅、床⾯耐荷重が⽐較的⼩さいと想定される実験装置建家は⼟台となるパイルの打ち込みを減らす98（場合によっては省略する）ことが可能になる。これにより、建設予算、建設⼯期を圧縮することが可能になる。
・ その他

短所：
・ 放射線管理の区切り、負圧管理など細かく対応・設定する必要がある。
・ その他

4-4-3. 概算積算根拠・建設期間
上記の通り、現在の第 1 ターゲットステーション（TS1）の建家の積算値を基準して概算
積算の根拠とする。

TS1 の MLF 建家の建設は、関連する機器の設置を含めて、建設作業は 2004 年 1 ⽉に開始され、2007 年 4 ⽉に終了して建設期間が 3 年４ヶ⽉間であった。
そこから第２ターゲットステーション（TS2）の建家建設期間は約 3 年間程度と推定される。その間、第 1 タ―ゲットステーションは、ビームライン接続⼯事時期等を除いて稼働可能と考えられる。

4-4-4. 運転経費積算
TS1 の建屋運転経費と同等か圧縮されると想定される。

4-4-5. 段階的建設になる場合のブレークダウン
現状の TS1 のようなターゲット部分と実験装置が⼀体の建家構造では、検討が難しい。

提案した建家の分割案により段階的建設が可能になり、建設予算のブレークダウンが可能になる。図 4.37 参照。

99

図 4.29：MLF TS1 の建築イメージ

図 4.30：MLF TS1 の断⾯図

100

図 4.31：MLF TS1 中性⼦ターゲットステーションと照射部の取扱い場の断⾯図

図 4.32：MLF TS1 建物の 1 階レイアウト101

図 4.33：MLF TS1 建物の 2 階レイアウト

図 4.34：MLF TS1 建物の 3 階レイアウト102

図 4.35：MLF TS1 建物の地下階レイアウト

第1ターゲットス
テーション

第2ターゲットス
テーション

3GeVシンクロトロン

図 4.36：TS1 と TS2 の位置関係（案）103長尺実験装置建家

３０M実験装置建家

ターゲット建家
４０M実験装置建家

図 4.37：TS2 建家分割配置案

4-5. 放射化物処理施設
若井栄⼀（J-PARCセンター/ JAEA）(1) 既存施設の現状
⾼レベルに放射化した使⽤後の中型から⼤型機器類について、MLF 施設内の放射化機器保管室などで保管している。保管室のスペースは限られていることから、機器の放射線の減衰を待ってから放射化物使⽤棟（RAM 棟）に運搬することになっている。図 4.38 に MLFの中性⼦源ターゲット容器(SUS316L 鋼製)を 1 MW の出⼒で 5000 時間運転した場合に⽣成される核種とその減衰曲線を⽰す。
（＃1〜＃7 は、使⽤済みターゲット容器の運転後 2 年経過したときの線量評価値である。＃99 が 1 MW の出⼒で 5000 時間運転した場合に相当する）104

図 4.38：運転後の⽔銀ターゲット容器で⽣成される核種とその減衰、及び運搬時の線量

放射化物の廃棄の引き渡しに関しては、JAEA のバックエンド関係部署が国の受け⼊れ機関として指定されている。しかし、放射性廃棄物の受け⼊れ条件には、線量や重量の制限があり、線量が⾼く、サイズが⼤きい機器類については、譲渡前に事前に切断作業などによる⼩分け化作業が必要であることが分かっているが、既存施設ではこのような作業ができな
い状況にある（図 4.39 参照）。また、原科研の所内規定で定められている放射性固体廃棄物の分類表を参考として下記表に与えた。

105

表 4.2：原科研所内規定 放射性固体廃棄物の分類表 (トリチウムを含む物質)
ベータ・ガンマ
廃棄物

レベル
区分

線量制限

容器表⾯の線量
等量率

容器と収納限度注意事項

１．通常、すぐに引き渡し可能A-1

10MBq 未満

0.5mSv/h 未満

・ ド ラ ム ⽸ (SUS304鋼）200L、0.5ｔ以下(収容する廃棄物 1 個
当たり 20ｋｇ以下）

容器は 2 重構
造(内側は溶接で完全封じ）

２．協議事項として引き渡し可能

A-2

10MBq 〜
3.7 GBq 未
満

0.5mSv/h 以上 2
mSv/h 未満・同上。
・その他の容器（放射性廃棄物管理第 1 課に指⽰を求める）

同上

B-1

3.7GBq 〜
370 GBq
未満

2mSv/h 以上 40
Sv/h 未満(50cm
距離)・⾦属容器、20ｋｇ以
下

要確認

B-2

370 GBq
以上

40 Sv/h 以 上
5000Sv/h 未 満(50cm 距離)・⾦属容器、20ｋｇ以
下〃

３．現在、引き渡しが不可

図 4.39：⾼線量放射化⼤型機器類の廃棄や解析等に関する現状の課題

106

⼀⽅、核燃料物質や放射性物質の廃棄物の埋設に係る法律により、各施設から発⽣する放射性物質などの廃棄物の総量を報告する義務があり、H29 年度に J-PARC センターとして原科研に初めて報告している。特に、注意したい法律改正については、H29 年 4 ⽉ 14 ⽇に公布された、法律改正（「原⼦⼒利⽤における安全対策の強化のための核原料物質、核燃料物
質及び原⼦炉の規制に関する法律等の⼀部を改正する」があり、この改正の中で、次項として、「放射性同位元素、放射線発⽣装置及び核燃料物質等は、研究機関、⼤学、医療機関、⺠間企業等において幅広く使⽤されており、多様な放射性廃棄物が発⽣している状況にあることから、これらの施設を所管する関係各法律においても、早期に処理・処分の合理化に係る規定を整備すること」が規定されている。また、「本法施⾏後 5 年以内に、法律の施⾏状況を鑑み、必要な措置を講ずるための規定」が附則されている。
）により、新しい第 2 ターゲットステーションの許認可や建設などに際して、放射性物質を発⽣させる事業主は、使⽤の業を⾏う前に、廃棄物の数量を事前に評価するだけでなく、運転で使⽤済みの放射性廃棄物に関して、国から指定されている JAEA のバックエンド施設に譲渡できるように、これらに関する必要な事前作業は放射性発⽣装置側で⾏う義務があると考えられる。また、使⽤者の業と廃棄の業の作業の区分け等が規制庁等の許認可の際に説明が必要になると考えられる。

(2) 増強案概要
本施設で実施するホットセル内の⾼線量⼤型機器の取り扱い作業を次のようなものが実施できるようになる。
(a) 機器類の健全性診断、(b)遠隔操作、補修技術、IT、 (c)機器類の交換作業、(d)⾮破壊検査、(e)放射化分析、(f)切断、溶接など（図 4.40 参照）、(g)希ガスの吸収、処理など（下図参照）、(h) Hg 安定化、T 処理など（図 4.40 参照）

図 4.40：⾼線量⼤型機器（⽔銀ターゲット容器など）の減容化のための各種作業案の模式図

107

本施設については、法律の改正の対応を⾏うため、第 2 ターゲットステーション本体側の施設・設備の⼀部の、必須な施設であることと考えられ、本体側と共有できる設備は共通に整備する計画がコスト削減のためにも必要になる。
なお、このような施設は、J-PARC の他施設にも有効に活⽤されることが期待できる。また、JAEA 等では、既存の PIE 施設があることから、TS2 の本施設で⾏う内容は、既存施設との役割分担を明確にして設定することが必要になる。

(3) 概算積算根拠・建設期間
施設の⼤きさとして 70 m × 35 m (2450 m2)〜 50 m × 25 m (1250 m2)の 1 階建ての施設を想定した場合、施設本体とセルの建設費は、施設の⾯積に依存して約 35 億円〜45 億円となる。この他に、セル内に設置する装置類の費⽤が加算される。
（参考設備や施設： MLF1 階セル: 12 mW × 40 mL (480 m2) × 12 mH、RAM 棟：18.19 m ×43.2 m (786.2 m2) × (地上 14.25 m, 地下 7.15 m)）算出の前提条件： 整地済み、着付き道路の確保済み、建設場所近傍に電気・給排⽔設備が確保され、使⽤可能。建屋重量を指⽰可能な地盤が GL-10ｍになるものとし、建物指⽰形
式は抗⽀持とする。70 m × 35 m × H20 m (2 層床、4900 m2)として地下施設はないものとする。鉛遮蔽ガラスは含まれない。天井クレーンは含まれない。ライニングは含まれない。セル遮蔽壁床厚さは 1.5 m とし、サービスエリア・保管ピットエリア回りの遮蔽壁床厚さは、1.5 m。基礎は耐圧盤 1.5 m とする。物価上昇は⾒込まないとする。
以下に、本施設の評価の進め⽅と建設に要する年度展開の概案を⽰す。

108

本施設の概念図を下記に⽰す。

図 4.41：本研究施設の概念図

本施設での作業や試験内容の想定：
・ ⼤強度化のための J-PARC 各施設の⼤型機器の詳細な状態検査や PIE 試験、安全管理
技術試験
・ ⾼線量⼤型機器の放射化分析の研究、遠隔補修技術、IT など
・ MLF１階の施設内からの使⽤済みターゲット容器などの移動と保管（⼗分な遮蔽壁を設ける）。
・ 放射化物使⽤棟からの使⽤済みターゲット容器などの搬⼊と搬出・ バックエンドなどへの引渡し可能な形状・性質処理のため、⼀部切断と関係作業の実施。
・ バックエンド施設への加⼯した廃棄物の受け渡し、PIE 施設への微⼩⽚の搬出・ 使⽤済み容器などの状態検査など
・ 切断時に放出する希ガス類（トリチウム、他）の回収
・ 付着⽔銀の安定化処理
・ 希ガストリチウム保管容器は密閉のための溶接作業
・ 廃棄物容器（規格サイズの予定）への収納作業（⼀部、密閉性のため溶接含む）
・ 増設に必要な設備と機器の評価（電気、空調、給排⽔、クレーン、マニュピュレータ、他）

109

(4) 運転経費積算
約 1.5 億円/年 （概算）
・ ⼈件費：50,000 千円/年 （試験調整係り 1 名、試験員 3 名、設備調整員 2 名）・ 電気代：15,000 千円/年
・ 機器のメンテナンス代：35,000 千円/年
・ 廃棄物処理（容器製作費,作業費など）： 50,000 千円/年(5) 段階的建設になる場合のブレークダウン
ホットセル数と低線量取り扱い作業室数、及び機器や試験装置の優先順位を作り、段階的に年間の予算に合わせて順次、設備を整える。本施設の評価の進め⽅と建設に要する年度展開の概案を⽰しているが、優先度の⾼い機器から設置し、段階的に試運転と運⽤を開始する
ことが考えられる。

110

5. 施設建設の予算と期間
河村 成肇 1,2、⾦正 倫計 1,2、柴⽥ 薫 1,2、芳賀 勝洋 3、原⽥ 正英 3、牧村 俊助 1,2、
明午 伸⼀郎 2,3、若井 栄⼀ 1,2
1

⾼エネルギー加速器研究機構

2

J-PARC センター

3

⽇本原⼦⼒研究開発機構

5-1. 施設建設の予算
・LINAC, RCS 増強 （J-PARC 共通のため、本積算より除外）
イオン源

100,000 千円

RFQ

400,000 千円

DTL1

100,000 千円

MEBT

50,000 千円

ACS

200,000 千円

アライメント

100,000 千円

冷却⽔

50,000 千円

⾼周波空洞

1,800,000 千円

キッカー

400,000 千円

⼊射部

100,000 千円

・陽⼦ビームライン
取り出し部電磁⽯+電源
電磁⽯及び電源

900,000 千円
1,225,000 千円

制御

179,000 千円

モニター

334,000 千円

付帯設備

1,018,000 千円

・中性⼦ミュオン源
標的循環設備2,000,000 千円

遠隔操作機器1,500,000 千円

極低温設備

1,500,000 千円

シャッター＆遮へい体

1,000,000 千円

付帯設備

1,000,000 千円

111

・中性⼦ビームライン
分光器４台

4,000,000 千円

・ミュオンライン
電磁⽯

2,000,000 千円

電源1,000,000 千円

付帯設備

1.000,000 千円

・実験室建屋

4,000,000 千円

・陽⼦ビームライン建屋
第⼆ 3NBT 棟
トンネル
空調および機械

400,000 千円
2,700,000 千円
400,000 千円

・放射化物処理施設（J-PARC 共通のため、本積算より除外）
4,500,000 千円

加速器増強および放射化物処理施設を除いた合計

25,000,000 千円

5-2. 施設建設の期間
1 年次：概念検討・設計
2 年次：概念検討・設計
3 年次：TS2 実施設計、陽⼦ビーム輸送系実施設計、第２実験ホール実施設計
4 年次：TS2 実施設計、陽⼦ビーム輸送系実施設計、第２実験ホール実施設計、加速器機器製作、ミュオンライン実施設計、陽⼦ビーム輸送系機器実施設計
5 年次：TS2 実施設計、第２実験ホール建設、加速器機器製作、ミュオンライン実施設
計、陽⼦ビーム輸送系機器実施設計、陽⼦ビーム輸送系建屋建設
6 年次：TS2 製作、第２実験ホール建設、加速器機器製作、ミュオンライン実施設計/製作、第２実験ホール建設、陽⼦ビーム輸送系機器製作、陽⼦ビーム輸送系建屋建設

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7 年次：TS2 製作、第２実験ホール建設、ミュオンライン製作、第２実験ホール建設、陽⼦ビーム輸送系機器製作、陽⼦ビーム輸送系建屋建設
8 年次：機器設置
9 年次：機器設置
10 年次：試験11 年次以降：ビーム供⽤

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