J-PARC

Japan Proton Accelerator Research Complex

物質・生命科学実験施設の実験装置

Materials and Life Science Experimental Facility (MLF)中性子・ミュオン実験装置配置図
目次

中性子・ミュオン実験装置配置図 … … 1
中性子実験装置特性 … ………………… 2
中性子・ミュオン実験装置リスト … … 3各装置の紹介 … ………………………… 5
共通試料環境機器 … …………………… 59
用語解説 … ……………………………… 61
利用案内 … ……………………………… 62

各装置の測定手法■ 中性子準弾性・非弾性散乱■ 中性子回折■ 中性子小角散乱・中性子反射率1■ 中性子イメージング● ミュオンスピン回転緩和共鳴■ 中性子断面積測定・中性子即発γ線分析 ● ミュオン基礎科学実験・
負ミュオン X 線元素分析
中性子基礎物理実験・中性子デバイス開発■

中性子実験装置特性
MLF の中性子準弾性・非弾性散乱装置及び中性子回折装置の測定範囲を重ねて示しました。研究目的に応じて最適な特性を持つ装置を利用できます。

Energy Transfer (meV)

中性子準弾性・非弾性散乱装置

10

3

10

2

10

1

10

0

10
10
10
10
10

中性子回折装置

BL15 大観*BL08 SuperHRPD

BL01 四季BL02 DNA
BL06 VIN ROSE
BL12 HRC
BL14 アマテラス
BL23 POLANO

BL09 SPICA
BL20 iMATERIASANS option is not included

BL19 匠
BL11 PLANET

-1

-2

-3

BL21 NOVA

SA bank is not included

BL03 iBIX*
BL18 千手*-4*Only d-range or q-range is plotted for BL03, BL15, and BL18.

-5

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

-1

10

1

10

2

Momentum Transfer (Å )This figure is updated from the original figure of Biochim. Biophys. Acta Gen. Subj. 1861 (2017) 3651;
http://dx.doi.org/10.1016/j.bbagen.2016.04.025（© 2016 The Authors. Published by Elsevier B.V.)

Data are added to the original figure of Quantum Beam Sci. 2017, 1(3), 9;
https://doi.org/10.3390/qubs1030009（© 2017 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.）2

中性子・ミュオン実験装置リスト
ビームライン番号

装置名称

得られる情報掲載ページ■ 中性子準弾性・非弾性散乱
BL01

四季

4 次元空間中性子探査装置

スピン・原子・分子の運動

5

BL02

DNA

ダイナミクス解析装置

原子・分子・スピンの拡散や回転振動などの運動

7

BL06

VIN ROSE

中性子共鳴スピンエコー分光器群

原子・分子の運動

15

BL12

HRC

高分解能チョッパー分光器

固体中のスピン・原子・分子の運動、
スピン波分散測定
多結晶・液体のフォノン分散測定

25

BL14

アマテラス

冷中性子ディスクチョッパー型分光器

格子振動、原子・分子の運動、磁気励起

27

BL23

POLANO

偏極中性子散乱装置

固体および原子・分子中のスピン、軌道、電荷、格子のダイナミクス、
固体中の交差相関物理情報45■ 中性子回折

3

BL03

iBIX

茨城県生命物質構造解析装置

結晶構造（単結晶）

9BL08SuperHRPD

超高分解能粉末中性子回折装置

結晶構造、磁気構造

17

BL09

SPICA

特殊環境中性子回折装置

結晶構造、磁気構造

19

BL11

PLANET

超高圧中性子回折装置

結晶構造、液体・非晶質の構造（高圧）

23

BL18

千手

特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置

結晶構造、磁気構造（単結晶）

35

BL19

匠

工学材料回折装置

結晶構造、格子歪み、欠陥密度、結晶配向（集合組織）

37

BL20

iMATERIA

茨城県材料構造解析装置

結晶構造、結晶配向（集合組織）、原子配列（非晶質）、
ナノ構造

39

BL21

NOVA

高強度全散乱装置

原子配列（非晶質、液体）
結晶構造、磁気構造41

ビームライン番号

装置名称

得られる情報掲載ページ■ 中性子小角散乱・中性子反射率
BL15

大観

中性子小角・広角散乱装置

ナノ構造、磁気構造

29

BL16

SOFIA

ソフト界面解析装置

ナノ構造（界面）

31

BL17

写楽

偏極中性子反射率計

ナノ構造、磁気構造（界面）33エネルギー分析型中性子イメージング装置

2 次元透過像・3 次元断層像
結晶組織構造、磁場、原子核種及び温度の空間分布43

不安定同位体核の基礎特性、
元素分析、
非平衡現象の解明

11■ 中性子イメージング
BL22

螺鈿

■ 中性子断面積測定・中性子即発γ線分析
BL04

ANNRI

中性子核反応測定装置■ 中性子基礎物理実験・中性子デバイス開発
BL05

NOP

中性子光学基礎物理実験装置

中性子の基礎物性、
中性子光学

13

BL10

NOBORU

中性子源特性試験装置

テストポートとしての利用（冷熱中性子、熱外中性子、高エネルギー中性子）21● ミュオンスピン回転緩和共鳴
D1

Muon D1

ミュオン物質生命科学実験装置

電子状態、磁気状態、ダイナミクス（電子、水素、イオン）

47

S1

ARTEMIS

汎用 µSR 実験装置

電子状態、磁気状態、ダイナミクス（電子、水素、イオン）

53

U1A

Muon U1A

超低速ミュオン顕微鏡実験装置

電子状態、磁気状態、電子・水素・イオンのダイナミクス…
（表面、界面）57● ミュオン基礎科学実験・負ミュオン X 線元素分析
D2

Muon D2

ミュオン基礎科学実験装置

素粒子反応

49

H1

Muon H1

大強度ミュオンビーム実験装置

ミュオンの基礎物理量、素粒子物理

51

S2

Muon S2

ミュオニウムレーザー物理実験装置

ミュオン基礎物理量

55
4

BL01

4 次元空間中性子探査装置（四季）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

スピン系および格子系の動きを運動量・エネルギーの 4 次元空間にわたって
高い効率で幅広く観測
特

徴

装置の仕様

● フェルミチョッパー、高立体角検出器により広い運動量・エネルギー空間を測定可能● 高効率ビーム輸送系、大面積検出器、複数エネ
ルギー測定による高い測定効率● 測定可能エネルギー ：1 ~ 300 meV● 散乱角度範囲 水平 ：‒35 ~ +130 度
垂直 ：‒25 ~ +27 度● エネルギー分解能：入射エネルギーの 5% 程度● ビームサイズ ：最大 45 mm × 45 mm（可変） 最適 20 mm × 20 mm

試料環境機器● ヘリウム循環型冷凍機（5 ~ 300 K；高温オプションにより 600 K まで
可能）
● ラジアルコリメータ（使用条件はお問い合わせ下さい）● その他 MLF 共通試料環境機器

装置構成

CONTACT
ビーム輸送導管

真空散乱槽と冷凍機

梶本亮一（装置責任者）
ryoichi.kajimoto@j-parc.jp

中村充孝（副装置責任者）
mitsutaka.nakamura@j-parc.jp

大面積中性子検出器5

蒲沢和也

k_kamazawa@cross.or.jp

4D-Space Access Neutron Spectrometer(4SEASONS )得られる情報

BL01

主な利用例

● 0.1 ~ 20 Å-1、1 ~ 数 100 meV の運動量・エネル
ギー領域におけるスピン・原子・分子の運動● 超伝導体における磁気励起や格子振動と超伝導機構の関係● スピン・原子・分子間の結合の強さ、スピン・原子・分子の運動と磁性・構造物性との関係●熱電材料における熱伝導率と格子振動の関係● 量子磁性体、フラストレート磁性体 1)、遍歴磁性体 2) における新奇磁性●ガラスにおける過剰励起●触媒材料における触媒機能と格子振動の関係

Ei = 150 meVエネルギー (meV)

エネルギー (meV)

120
80
40

30

Sr1-xNaxFe2As2 鉄系超伝導と磁気励起の極性との相関

三次元反強磁性体におけるトポロジカルスピン励起

J. Guo et al., Phys. Rev. Lett. 122, 017001 (2019) (© 2019 American
Physical Society).

W. Yao et al., Nat. Phys. 14, 1011 (2018) (© 2018 Nature PublishingGroup).

20
10
0

0
−1
0
1
2
運動量 (逆格子単位)

エネルギー (meV)

20

3

−1

Ei = 21 meV

10

2

Ei = 12 meV

8

15
10
5

6
4
2
0

0
−1

0
1
運動量 (逆格子単位)

エネルギー (meV)−2

Ei = 45 meV

40

−0.5
0
0.5
運動量 (逆格子単位)

1

−0.4
0
0.4
0.8
運動量 (逆格子単位)

複数の入射エネルギー (E i ) を同時に用いて測定された CuGeO3の励起スペクトル

1）2）は用語解説（p.61）をご覧ください。

6

BL02

ダイナミクス解析装置（DNA）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

ナノ秒領域のゆっくりとした原子・分子・スピン運動の測定による物質の機能と運動の関係を解明
特

徴

装置の仕様

● 高分解能（µeV）で幅広いエネルギー（meV）領域のダイナミクス測定● 測定可能エネルギー：‒500 ~ 1500 µeV: Si(111)、‒2000 ~ 6000 µeV: Si(311)● パルス整形チョッパーによるフレキシブルな分
解能・ダイナミックレンジ● 運動量範囲● 革新的な低 BG 化 Si アナライザーによる高効率
かつ高精度測定● エネルギー分解能：
Si111 1 cm slit : 2.2 µeV (300 Hz)、2.4 µeV (225 Hz)
Si111 3 cm slit : 3.1 µeV (300 Hz)、3.6 µeV (225 Hz)
Si311 1 cm slit : 11 µeV (300 Hz)
Si311 3 cm slit : 19 µeV (300 Hz)

0.078 < Q < 1.98 [Å-1]: Si(111)、
1.79 < Q < 3.40 [Å-1]: Si(311)

試料環境機器● トップローディングクライオファーネス（6 K < T < 650 K）● 自動試料交換機（3 個、20 個）● 液圧印加装置（0.1 < P < 145[MPa]、室温のみ )● 水蒸気印加装置（絶対圧制御、室温のみ）● 電圧印加装置（E < 1.5 kV、200℃以下）
電流印加装置（ I < 5 A、200℃以下）● ビームサイズ：3 cm（縦）× 2 cm（横）装置構成
CONTACT
松浦直人（装置責任者）

Si 完全結晶ウエハをアナライザーに用いた
背面反射型分光器

7

川北至信（副装置責任者）

Biomolecular Dynamics Spectrometer(DNA)

得られる情報

BL02

主な研究例

● 原子・分子・スピンのピコ秒からナノ秒に及ぶ運動● 生体物質（タンパク質、脂質、食品等）の機能解明● 拡散や回転、振動など運動の特徴を捉える● 機能性材料（電池、触媒、強誘電体等）の原子運動の解明● ソフトマター（高分子、イオン液体、水和水、ゴム等）の機能解明● 磁性体中のスピン運動の解明

N-γ- ピコリンのメチル基の回転トンネルスペクトル

燃料電池触媒層中の水のダイナミクス

マルチフェロイクス Ba2MnGe2O7 における磁気異方性ギャップの温度変化

ΔE = 3.6μeV
S/N >10 5

ΔE / meV

燃料電池触媒層中の水の階層的なダイナミクスを測定

K. Ito, et al., J. Phys. Chem. C 125, 12645 (2021).
(©2021 American Chemical Society)

電気分極の相互作用と等価なスピンネマティック
相互作用による微小なスピンキャップを測定

S. Hasegawa et al., Phys. Rev. Research 3, L032023 (2021).
(©2021 American Physical Society)

8

BL03

茨城県生命物質構造解析装置（iBIX）

中性子回折
中性子回折

高効率、高分解能で生体高分子や有機分子結晶の水素・水和構造を観測する
中性子単結晶回折装置
特

徴

装置の仕様

● 幅広い波長領域の高検出効率。高分解能な二次元検出器の開発により、タンパク質の構造解析
データを高効率に測定● 試料周りのオープンな空間により、様々な周辺機器を自由に配置可能

試料環境機器

主な仕様（加速器出力：1 MW 時）● ガス吹付型低温装置（100 ~ 300 K）
3● 測定可能格子長：135 × 135 × 135 Å （過去最大の結晶格子体積を持つマンガンカタラーゼの単結晶構造解析で実証）● 結晶サイズ：~ 1 mm3● 測定日数● 高温装置（ 300 ~ 600 K）● 延伸装置（ 荷重：200 N、延伸量：90 mm、延伸速度：1 ~ 1000 µm/sec）

試料環境・外場機能：4 日程度装置構成
検出器配置

波長変換ファイバー型
２次元検出器
ガス吹付型低温装置(N2 or He)

回折計

延伸装置

高温装置

CONTACT
日下勝弘（装置責任者）

ビーム発散角：±0.2°

k_kusaka@cross.or.jp

中性子

坂倉輝俊

ビーム径：~ 5 mmφ
検出器数：34 台
L2：500 mm
検出器立体角：22.1%
2θ：26.0 ~ 166.0°9３軸型
ゴニオメータt_sakakura@cross.or.jp

試料観察用
カメラ

大面積中性子検出器

杉山晴紀

h_sugiyama@cross.or.jp

ガス吹付型低温装置

IBARAKI Biological Crystal Diﬀractometer（iBIX）

BL03

得られる情報主な研究例● タンパク質の水素原子、プロトンの位置からタンパク質と薬剤、インヒビターとの水素結合の有無およびプロトン互変異性● トランスサイレチンのアミロイド病を防ぐ 4 量体形成の鍵となる水素結合の観測● セルロース分解酵素セルラーゼの加水分解過程のアミド－イミド互変異性を伴うプロトンリレーの可視化● 光合成色素を合成するビリン還元酵素 PcyA－基質複合体の二つの水素化状態と構造的特徴
3の格子のカタラーゼの中性子結晶構造● 中性子で最も体積が大きい（135 Å）● アミンをアルデヒドとアンモニアに分解する銅アミン酸化酵素の活性中心における非局在化プロトンの観測と触媒機構の巧妙な仕組み（下図左）● 地球の窒素循環を担う酵素 ( 銅含有亜硝酸還元酵素 ) の触媒反応の電子経路の実証（下図右）● アミノ酸残基の側鎖の OH、NH、NH2 の水素の位置
● 重水 D2O の D と交換可能な水素 H からそこの水分子の存在● Ｘ線では困難な重元素の周りの水素原子の位置● 放射線損傷が少ない、室温におけるタンパク質の構造● Ｘ線では構造変化を受ける酸化還元酵素の無損
傷構造● タンパク質と化合物の相互作用における水素結合と疎水的相互作用の情報“宙に浮いた” 水素イオンから見える酵素触媒の巧妙な仕組み― 大型タンパク質の高分解能中性子結晶構造解析の成功によって明らかに ―

背

景

背

景

● 銅アミン酸化酵素 : 一級アミン類をアルデヒドとアンモニアに分解する酵素。活性中心には、銅イオンと補酵素トパキノンを含む。ヒトの血清中の本酵素は、糖尿病の発症にも関与● 銅アミン酸化酵素の酵素反応機構の詳細を知るためには水素原子位置の可視化が必要● CuNIR: 土壌や水域中の窒素化合物が窒素分子へと変換される過程（脱窒）の一部を担う鍵となるタンパク質（亜硝酸イオンを一酸化窒素
ガスに変える）● CuNIR の化学反応（亜硝酸イオンへ水素イオンが渡される過程）の詳細を知るためには水素原子位置の可視化が必要

本研究のブレイクスルー

本研究のブレイクスルー● 記録を大幅に上回る大型タンパク質（分子量 70,600）の中性子結晶
構造解析に成功した● 酵素反応のしくみの解明に欠かせない “水素イオンの正確な位置” を明らかにした● CuNIR の活性中心の銅イオンに水酸化物イオンが結合した状態の可視化に成功● これまでの実験から提案されていた化学反応機構を正しく書き換える可能性を示し、反応に必要な電子がタンパク質内を流れる経路について実験的な証拠を得ることに成功

中性子用
巨大結晶

銅アミン酸化酵素の中性子結晶構造iBIX の貢献
タンパク質の回折パターン

地球の窒素循環を担う酵素の反応機構を解明― 銅含有亜硝酸還元酵素（CuNIR）の全原子構造を高精度に決定 ―活性中心における“宙に浮いた”プロトンの観測

銅アミン酸化酵素の高精度・高分
解能（高解像度）な中性子構造解
析用データ取得し、水素原子を含んだ立体構造決定に成功した

研究成果の意義

補酵素トパキノンの構造と平衡状態。エノレート型とケト型が存在（一般的にはエノレー
ト型と考えられてきた）銅イオンと結合したヒス
チジン残基の構造。手前のヒスチジン残基には重水素が結合しておらず（赤丸で囲んだ部分）、特異なイミダゾレートアニ
オンが形成● 中性子結晶構造解析の適用範囲を大きく広げ、高分子量の有用タン
パク質や薬剤開発の標的タンパク質の水素原子を含んだ立体構造決定につながることが期待できる● 中性子結晶構造解析がこれまで予想されなかった構造の存在や作用機構を明らかにできることを実証

CuNIR の中性子結晶構造iBIX の貢献
CuNIR の高精度・高分解能（高解像度）な中性子構造解析用データ
取得し、水素原子をも含んだ立体構造決定に成功

CuNIR 中で観察された銅イオン（茶色球）に結合した水酸化物イオン

今後の展開● 産業応用：脱窒作用の働きを強化した微生物の利用、人工酵素の開発● 一酸化二窒素ガス（温室効果ガス）の低減＝大気環境の改善への貢献
肥料として環境中に過剰流入した窒素化合物の低減 = 環境汚染の改
善への貢献

10

BL04

中性子核反応測定装置（ANNRI）

中性子断面積測定・即発γ線分析
中性子断面積測定・中性子即発γ線分析

中性子捕獲反応で生じる即発γ線を精密測定し、核データ測定、元素分析や宇宙核物理等の原子核科学に関する研究を行う装置
特

徴

装置の仕様

● エネルギー分解能に優れる Ge 検出器と時間分解能に優れる NaI 検出器、LaBr3 検出器を開発し即発ガンマ線の精密計測が可能● Li- ガラス検出器により全透過中性子を測定可能● 中性子エネルギー範囲：E n > 0.0015 eV● γ線検出器： Ge スペクトロメータ（飛行距離：21.5 m）
NaI(TI) 検出器（飛行距離：28 m）● 中性子検出器：Li-Glass 検出器（飛行距離：28.5 m）

装置構成

周辺機器
● 可変式コリメータ
ビームサイズを 22、15、7、6 mmφに調整可能● 自動試料交換機~ 200 個の試料を自動で交換可能● ダブルディスクチョッパー
周回遅れの低エネルギー中性子をカット● 可動式中性子フィルター（Pb、Mn+Co+In+Ag、Cd）
中性子ビーム上のγ線の低減
中性子ビーム強度の調整、B.G. の推測

放射線検出器開発
LaBr3 検出器

Li-glass 検出器

データ収集 (DAQ) システム開発

CONTACT木村敦（装置責任者）

kimura.atsushi04@jaea.go.jp

ANNRI 内部の写真

左：Ge スペクトロメータ

右：NaI 及び Li グラス検出器

瀬川麻里子（副装置責任者）
データ収集 (DAQ)
システム一例

11

システム開発の様子

segawa.mariko@jaea.go.jp

Accurate Neutron-Nucleus Reaction Measurement
Instrument (ANNRI)

得られる情報欧州 CERN や米国 LAML に先んじて、
244
Cm（半減期 18 年）の中性子捕獲断面積測定に成功 !!

BL04

主な利用例
● Ge スぺクトロメータ、大型 NaI スぺクトロメータによる Cm 同位体、Am 同位体、237Np 等の中性子捕獲
断面積研究● Li- ガラス検出器による Am 同位体の中性子全断面積の測定研究● 飛行時間法を用いた新しい即発ガンマ線分析法開発● 112Cd(n,γ) 反応と 115Sn の天体起源● 複合核共鳴における離散的対称性の破れの研究

核変換に向けた核データ測定研究

飛行時間法を用いた即発ガンマ線分析法

マイナーアクチニド核種 (MA) や長寿命核分裂生成核
種 (LLFP) といった核廃棄物核種を、核反応により、安定核種に変換する方法が核変換である。

世界最高強度のパルス中性子と高効率 Ge 検出器、高速
DAQ、高効率遮蔽等の開発によって２つの非破壊元素分
析法を融合した新しい分析法の開発に世界で初めて成功した。
新分析法では融合による相乗効果によって、どちらの手法を用いても分析が困難である元素でも正確に分析出来ることを実証した。

Am の全断面積測定結果

241

核変換システムの設計研究においては、中性子を捕獲する反応（赤矢印）の起こり易さつまり中性子捕獲反応断面積の高精度化は必須

中性子核反応測定装置（ANNRI）を MLF に整備し、中性
子捕獲反応断面積等の核データについて高精度化に向けた測定研究を実施している。

K. Terada et al., J. Nucl. Sci. Technol.,2018, VOL. 55,
1198–1211 (© 2011 Taylor and Francis Group)

12

BL05

中性子光学基礎物理実験装置（NOP）

中性子基礎物理実験・
中性子デバイス開発

最先端の中性子光学技術を利用し、物質や宇宙の起源を探索する基礎物理学
実験のためのビームライン
特

徴

装置の仕様

中性子光学デバイス● ビームライン上流において中性子ベンダーを用
い 3 つのブランチに分岐する。

ビームラインは以下の 3 つのブランチに分岐されている。それぞれ以下の特徴がある。

● 精密ガスハンドリングシステム：
約 0.1% 精度で 3He の圧力制御● 高速中性子を上流で落とすため遮蔽が必要なく、広い実験スペースが確保可能● 非偏極：大強度● ポータブル中性子 2 次元検出器：
位置分解能 ~ 1 mm

● 3 つのブランチでそれぞれ特徴的なビームが並行して利用可能● 偏極：94 ~ 96% 偏極● 低発散：低発散高輝度● 超冷中性子生成用ドップラーシフター 3）：
速度 68 m/s の中性子を 180 度に反射可能。
● 永久磁石型中性子偏極装置：偏極度 > 99.9%

装置構成

CONTACT
三島賢二（装置責任者）
kenji.mishima@kek.jp

猪野隆（副装置責任者）

takashi.ino@kek.jp

13

Neutron Optics and Fundamental Physics(NOP)

得られる情報

BL05

主な利用例

● 中性子そのものの性質● 中性子寿命の精密測定● 中性子の崩壊● ドップラーシフターを用いたパルス超冷中性子発生● 希ガスの中性子散乱による未知相互作用探索● 中性子と物質の相互作用● 冷中性子干渉計● 超高分解能中性子検出器開発

超高分解能中性子検出器の開発

ビーム
サイズ

ビームフラックス ビーム発散(cm-2s-1@1 MW)(Y×X mrad)

非偏極50 × 40(3.8 ± 0.3) × 108

m = 2 相当

偏極120 × 60

(4.0 ± 0.3) × 107

23 × 9.4

94 ~ 96%

低発散

80 × 40(5.4 ± 0.5) × 104

0.23 × 0.23

‒

ブランチ

(Y × X mm)

偏極度

正確な散乱断面積測定

名古屋大学と共同で写真乾板（エマルジョン）技術を用いた超高分解能の中性子検出器を開発

BL05 各ブランチのビーム条件

検出器原理：炭化ホウ素膜中のホウ素 10 が中性子を吸収してイオンに変換し、イオンが写真
乳剤中に痕跡を残す。

中性子反応による粒子の飛跡を再構成することにより最高で 11 nm という従来の検出器よりも 2 桁程度
良い分解能を得ることに成功

C. C. Haddock et al., Phys. Rev. C 100, 064002 (2019) (©2019
American Physical Society).

3）は用語解説（p.61）をご覧ください。

14

BL06

中性子共鳴スピンエコー分光器群（VIN ROSE）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

中性子散乱で最高のエネルギー分解能を有し、拡散現象などの動的性質を
ナノ秒＆ナノメートルスケールで観測できる中性子準弾性散乱装置
特

徴

装置の仕様

● パルス中性子源と共鳴スピンフリッパーを組み合わせた世界で唯一の中性子スピンエコー分光器● 他の手法では捉えられない分子・原子・電子ス
ピンの動きを、ナノ秒スケールで分析可能● フーリエ時間：1 ps ~ 1 ns
（試料ー検出器 1.2 m、最大実効振動数：200 kHz)
● 散乱角

試料環境機器● 4 K GM 冷凍機

2θ = 0 ~ 15°● 測定可能偏極反射率：R > 1.0-5● 現在は MIEZE 分光器（オプション：偏極中性子
反射率測定）のみが利用可能です。ご希望の方は必ず事前に装置責任者へお問い合わせください

装置構成
MIEZE 型分光装置

CONTACT遠藤仁（装置責任者）

hitendo@post.j-parc.jp

瀬戸秀紀（副装置責任者）
NRSE 型分光装置

15hideki.seto@kek.jp

Village of Neutron Resonance Spin Echo
Spectrometers (VIN ROSE)

得られる情報

BL06

主な利用例

● 原子・分子の揺らぎの時間● 高分子・タンパク質・脂質膜・コロイド等のソフトマテリアルのダイナミクスの解明● イオンなどの原子の動きを捉える● 偏極中性子解析を用いた磁性ナノ粒子の超常磁性 4) の解明● プラスティックの粘弾性機能の解明● 磁性体中のゆっくりとしたスピン運動の解明

Spectrometer

Wave-length[A]

Q range [Å-1]FourierTime

NRSE

5 < λ < 20

0.02 < Q < 0.65

0.1 [ns] < t < 0.1 [µs]MIEZE

3 < λ < 13

0.002 < Q < 3.5

1 [ps] < t < 2 [ns]

NRSE 型 (a) と MIEZE 型 (b)中性子スピンエコー分光装置

MnSi の長周期磁気構造
スキルミオンの運動

VIN ROSE の 2 つのビームライン

M. Hino et al., Physics Procedia 42, 136 (2013) (©2013 Elsevier).

T. Nakajima et al., Phys. Rev. Res. 2, 043393 (2020).
(©2020 American Physical Society)4）は用語解説（p.61）をご覧ください。

16

BL08

超高分解能粉末中性子回折装置（SuperHRPD）

中性子回折
中性子回折

わずかな構造歪みを精度良く捉え、新しい構造物性を開拓する
特

徴

装置の仕様

● ピーク分離された多くの反射強度の観測が可能● 対称性の低下に伴う僅かなピーク分裂の観測が可能● X 線では困難な水素原子位置の決定が可能● 強度、分解能の点で X 線との相補性を実現させ、新しい構造解析法の開拓が可能● d 範囲（標準セッティング）
0.3 ~ 3.75 Å（高角バンク：150°≦ 2θ ≦ 175°）
0.4 ~ 5.2 Å （中角バンク： 60°≦ 2θ ≦ 120°）
0.7 ~ 15 Å （低角バンク： 10°≦ 2θ ≦ 40°）● 分解能（Δd /d ）最高分解能 0.0365% （@ 2θ ≒ 172°）
≧ 0.08% （高角バンク）≧ 0.35% （中角バンク）≧ 0.7% （低角バンク）

試料環境機器● 自動試料交換機（室温、10 試料）● ヘリウム循環型冷凍機（4 ~ 300 K）● Cryo furnace（5 ~ 800 K）● 高温炉（ ~ 1223 K）● 1K 冷凍機（0.9 ~ 300 K）● マグネット（ ~ 14 T）

装置構成

CONTACT
鳥居周輝（装置責任者）
torii@post.kek.jp

齊藤高志（副装置責任者）
saitot@post.kek.jp

17Super High Resolution Powder Diﬀractometer(SuperHRPD)

得られる情報

BL08

主な利用例

● 高精度の結晶・磁気構造解析● コバルト酸化物のスピン状態転移と巨大磁気体積効果 5)● 極小構造歪みの検出● 高ナトリウムイオン伝導体の高温構造解析● 4d 酸化物磁性体の磁気相転移に伴う格子歪み● ペロブスカイト型コバルト酸化物の室温付近での負の熱膨張 5)

Δd/d = 0.0365%

結晶構造の極小変化の観測

磁場中における結晶・磁気構造の変化を観測
004

002

最高分解能モードで測定した粉末シリコンの中性子回折
プロファイル及び Z-Rietveld を用いた結晶構造解析結果

4d 磁性体 SrRuO3 の磁気秩序に伴う Ru-O 結合長の僅かな増
大（0.0005 Å）
をはじめてとらえることに成功した。
バンド幅は低温で減少（局在化）、強磁性発現やインバー特性発現のメカ
ニズムと関係していると考えられる。

負の熱膨張を示すペロブスカイト型コバルト酸化物の 0 テス
ラと 14 テスラ下の回折パターン。
004 反射は磁場により 0.05% シフトし、200 反射は 20% 強度が減少している。

Lee et al., J. Phys.: Cond. Mat. 25, 465601(2013) (© 2013
IOP Publishing)5）は用語解説（p.61）をご覧ください。

18

BL09

特殊環境中性子回折装置（SPICA）

中性子回折
中性子回折

高強度・高分解能中性子回折を実現、実電池のオペランド測定が可能
特

徴

装置の仕様

● 特殊環境中性子回折装置● オペランド測定による蓄電池研究に特化した
TOF 型中性子回折装置● 水素やリチウムといった軽元素を含む材料の精
密な構造解析
● 作動環境下での実デバイス内材料の構造変化観測● d 範囲
0.3 ~ 3.7 Å（背面バンク）
0.4 ~ 5.0 Å（特殊環境バンク）
0.5 ~ 11.0 Å（低角バンク）● 分解能（Δd /d ）：最高分解能 0.09%
0.12% （背面バンク）
0.47% （特殊環境バンク）
1.27% （低角バンク）

試料環境機器● 自動試料交換器 ( 室温，40 試料 )● トップローディング型 4K 冷凍機 (4 ~ 300 K)● トップローディング型クライオファーネス(20 ~ 600 K)● ５軸、７軸ゴニオ回折計● 充放電評価システム

装置構成

オペランド回折データの自動解析

CONTACT森

一広（装置責任者）

kmori@post.kek.jp

齊藤高志（副装置責任者）
takashi.saito@kek.jp
画像提供：J-PARC センター

19

Special Environment Powder Diﬀractometer(SPICA)

BL09

得られる情報主な利用例● 高強度・高分解能中性子回折データ。
● 動作中の蓄電池のオペランド回折データ。オペ
ランド測定用に最適化された光学系が広い d -、Q - レンジをカバーしている。
● 併設された長期充放電システムの活用により、オフビーム、オンビーム充放電が可能で、実験室内で長期間にわたる構造変化の情報を取得できる。

オペランド測定による電池反応の解明

ヒドリド伝導体の構造科学

充放電しているリチウムイオン電池内部の不均一かつ非平衡状態で進行する複雑な構造変化を原子レベルで解析。
刻一刻と変化する電池反応を観測し、解明できる手法の開発は画期的である。蓄電池の信頼性や安全性に関する詳細な情報が容易に得られるため、リチウムイオン電池のさらなる高性能化だけでなく、全固体電池などの次世代蓄電池開発にも大きく貢献すると期待される。

新たな電荷担体を伝導種とする固体電解質材料が出現した。軽元素であるヒドリドの構造科学推進には、軽元素に敏感な中性子回折が不可欠である。

10 min.

0.5 min.

面間隔 d / Å充電

面間隔 d / Å放電

充電時間 t / min（電池容量 c / mA h）

充電時間 t / min（電池容量 c / mA h）

放電時と充電時で異なる反応機構を示すグラファイト負極“Real-time observations of lithium battery reactions operando neutron diffraction analysis during practicaloperation”
Taminato, et al., Scientific Reports, 6 (2016) 28843(© 2016 Nature Publishing Group)“Pure H– conduction in oxyhydrides”
G. Kobayashi, et al., Science, 351(6279), (2016), 1314–1317(© 2016 AAAS)

充電放電時での回折パターンの変化

20

BL10

中性子源特性試験装置（NOBORU）

中性子基礎物理実験・
中性子デバイス開発

J-PARC MLF の中性子源の特性を実測により検証し、施設安定運転に資するとともに、大強度・大面積ビームを利用できる汎用中性子実験ポート
特

徴

装置の仕様

● MLF で最も強固な遮蔽をもち、一辺 10 cm の鉄ブロックでもフルビーム照射可能で、肉厚 3 cmの実験テーブルを備えており、ユーザーによる様々な実験環境を構築可能● L1（モデレーター試料間距離）：14.0 m● MLF で最も線源に近い実験空間を有し、10 MeV
以上の高エネルギー中性子から、1 meV 以下の冷熱中性子まで利用可能な大強度ガイド管レスのシンプルで安定なビーム光学系● 10 meV のピーク強度：1.5×1012 [n/eV/s/cm2]● 最大ビーム形状：100 mm×100 mm● 実験室空間：幅 2.5 m×長さ 3.5 m× 高さ 3.0 m● 試料位置での熱冷中性子束：4.8×107 [n/s/cm2]● 10 meV のパルス幅（FWHM）：33 [μs]● 波長バンド幅：10.5 Å（シフト可能）

装置構成

JSNS

バンドチョッパー
フィルター交換装置
ロータリーコリメータ

CONTACT
及川健一（装置責任者）
kenichi.oikawa@j-parc.jp

ビーム成形スリット1，2

21

実験テーブル

BL10

原田正英（副装置責任者）
harada.masahide@jaea.go.jp

NeutrOn Beam-line for Observation andResearch Use (NOBORU)

BL10

得られる情報主な利用例● 高品質大強度中性子ビーム提供のための中性子源特性測定● 大強度パルス中性子源の特性試験→ 世界最高性能の中性子特性を実証● 白色中性子ホログラフィー法開発→ 機能性材料中の微少量添加物の観測● 中性子光学系、検出器開発などを含むテスト
ポートとしての利用● SEOP 型偏極中性子デバイスの開発→ 世界最高クラスの偏極率を実現● 超高分解能二次元中性子検出器の開発→ 超伝導素子を用い、ミクロンオーダー の実空間分解能をねらう● 高エネルギー中性子照射試験→ 半導体検出器や素子の中性子耐性評価● MLFにおける最大強度の高エネルギー中性子を提供

6)

スパイラル管を流れる冷媒流のパルス中性子
イメージングによる観測

電力用半導体の宇宙線耐量

Transmittance (arb. units)

1.0

0.8

冷媒循環

0.6

冷媒充填
-40

-20

0

20

40

-40

-20

0

20

40

Position (pixel)

4 106

Neutron flux (n/cm/s@1MW&25Hz)

3.5 106

Exp
Cal

3 106
2.5 106
2 106
1.5 106
1 106

MW

5 105
0

中性子照射による加速実験から故障率を算出
0

200

400

600

800

1000

Proton beam power (kw)6）は用語解説（p.61）をご覧ください。

22

BL11

超高圧中性子回折装置（PLANET）

中性子回折
中性子回折

広い温度圧力範囲で、結晶・液体・ガラス物質の構造を精度よく調べる
特

徴

装置の仕様

● ６軸プレス「圧姫」を用いて、14万気圧1700℃の高温高圧下での実験が可能● 入射スリット、ラジアルコリメータにより、試料回りの物質からの散乱を除去し、クリーンな
回折パターンを取得可能● 回折
分解能：Δd/d = 0.6%、d 範囲：0.2 ~ 8.4 Å
ビームサイズ：1 mm 角 ~ 15 mm 角
ラジアルコリメータ：0.5 mm、1.1 mm、3 mm●ラジオグラフィー
空間分解能：200 µm、視野：14 mm 角

試料環境
実験可能な温度・圧力範囲●40 万気圧、25 ~ 100℃（パリ‐エジンバラプレス）●14 万気圧、25 ~ 1700℃（６軸プレス）●14 万気圧、30 K ~ 100℃（水戸システム）●１万気圧、4 K ~ 室温（ピストンシリンダセル）

装置構成

CONTACT
服部高典（装置責任者）
takanori@post.j-parc.jp

佐野亜沙美（副装置責任者）
6 軸型マルチアンビルプレス「圧姫」

23

sanoasa@post.j-parc.jp

High-Pressure Neutron Diﬀractometer(PLANET)

得られる情報主な利用例● 中性子回折による高圧下における結晶・液体の構造（原子位置、磁気構造）● 地球中心核の水素● 中性子イメージングによる高圧下の試料の透過像● 鉱物中の水素結合の対称化

高圧氷（VII）中の水素分布

酸素格子のみを表示

BL11● 低温高圧下での氷の構造多形● 液体・非晶質の圧力誘起構造変化

低温高圧下で新しい氷の相（氷 XIX）
を発見

CS2 の高圧分解によりできた新グラファイト物質

氷は、温度圧力条件により様々な結晶構造をとることが知られています。今回、氷 VI 相を冷却してできる相に関して、
これまで知られていた水素秩序氷（氷 XV）に加え、その高圧側に新たな原子配列を持つ別の水素秩序氷（氷 XIX）があることを発見しました。新たな相の発見は、2019 年以来２年ぶりで、今後、氷の多形の包括的に理解に役立つと考えられます。

CS2 を加圧すると、約十万気圧で瞬時に硫黄とC2S に分解し、それらは常圧下に回収できることがわかりました。得られたC2S をアニールして硫黄を取り除くと、sp2 グラファイトシートに硫黄が結合したものであることが分かりました。これらは高圧下で大量に生成できることから、グラファイトシートを基にした電子デバイス設計に役立つと考えられます。

水素はリング状に分布（✕の位置に水素は居ない）

K. Yamashita et al., PNAS 119, e2208717119 (2022)(©2022 National Academy of Science)

5万気圧1100Kでのブルース石中のH-D相互拡散
高圧セル
Mg(OD)2
Mg(OH)2

開始時

Boundary

3時間時

6時間時

14時間時

27時間時

氷の温度圧力相図と今回発見された氷 XIX の安定領域

R. Yamane et al., Nature Commun. 12, 1129 (2021)(©2021 Springer Nature)（左上）高圧下から回収した試料（中央の黒色物質）。
（左下）推測された生成物の構造。
（右上）回収試料と層状カーボンの回折パターンの比較。
（右下）回収試料の二体分布関数。炭素シートに対応する位置に原子間距離のピークがみられる。

S. Klotz et al., Carbon 185, 491 (2021)(©2021 Elsevier Ltd.)

24

BL12

高分解能チョッパー分光器（HRC）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

高分解能で広くエネルギー・運動量空間を探査し、物質のダイナミクスを観測
特

徴

装置の仕様

● 高分解能フェルミチョッパー、高速 T0 チョッパー
で高エネルギー測定を実現● スーパーミラーガイド管、大面積検出器で計測数を増大● 最小散乱角 0.6°の検出器により中性子ブリルア
ン散乱測定を実現

環境機器

中性子エネルギー： 3 < Ei < 500 meV● GM 冷凍機（T = 4 ‒ 300 K）

散乱角： 水平： 3°~ 62°(L2 = 4 m),‒31°~ ‒13°(L2 = 4 m),‒5.1°~ ‒0.6°(L2 = 5.2 m)
垂直： ± 20°(L2 = 4 m),± 4°(L2 = 5.2 m)● 3He 循環型冷凍機（T = 1 ‒ 300 K）● 超伝導磁石（最大磁場 5 T、2 K ‒ 300 K）● 圧力セル（シリンダータイプ、最大圧力 1.2 GPa）

中性子強度：（試料位置での中性子束 @１MW）
1x105 n/s/cm2 (ΔE/Ei = 2.5%)
エネルギー分解能：ΔE/Ei ≥ 2% (@E = 0 meV)
最大試料サイズ：4 × 4 cm2

装置構成
CONTACT
伊藤晋一（共同実験代表者／装置責任者）
shinichi.itoh@kek.jp

益田隆嗣（共同実験代表者）
masuda@issp.u-tokyo.ac.jp
小角領域検出器

真空散乱槽

植田大地（副装置責任者）
dueta@post.kek.jp

25

High Resolution Chopper Spectrometer(HRC)

得られる情報

BL12

主な利用例

● 固体中のスピン・原子・分子の運動● 金属強磁性体の磁気励起の解明● 強磁性体粉末からスピン波分散測定● 圧力誘起量子相転移と磁気状態の解明● 液体のフォノン分散測定● マルチフェロイック物質 7) の磁気励起の解明● 一次元量子スピン系の磁気励起の解明● 層状遷移金属酸化物の磁気励起の解明● スクッテルダイト8) 系の磁気励起の解明● 金属反強磁性体の磁気励起の解明● 液体・多結晶系の格子振動の解明

一次元スピン系 CsVCl3 のスピン波分散

中性子ブリルアン散乱によるダイナミクス研究

S. Itoh et al., J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2013) SA033 (© 2013
The Physical Society of Japan)

S. Itoh et al., Nature Communications 7, 11788 (2016).
(©2016 SPringer Nature)

フラストレート磁性体 1) CsFeCl3 の量子臨界点近傍集団励起

S. Hayashida et al., Sci. Adv. 5, eaaw5639 (2019). (© 2019
AAAS).

1）7）8）は用語解説（p.61-62）をご覧ください。

26

BL14

冷中性子ディスクチョッパー型分光器（アマテラス）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

磁性体・非晶質・液体など幅広い分野の研究に対して最適な分解能・強度を実現する、低エネルギーに特化した準弾性・非弾性散乱装置
特

徴

装置の仕様

試料環境機器● 10-2 ~ 102 meV 領域のダイナミクス測定● 入射エネルギー：1 ~ 80 meV● 無冷媒ボトムローディング型冷凍機（5 ~ 300 K）● 高効率ビーム輸送系、大面積検出器、異なるエ
ネルギー範囲を同時に測定することで測定効率向上● エ ネ ル ギ ー 分 解 能： ΔE/Ei > 1% (Ei < 3 meV)ΔE/Ei > 2 ~ 3% (Ei < 20 meV)ΔE/Ei > 4 ~ 5% (Ei < 80 meV)

● 無冷媒トップローディング型冷凍機（7 ~ 500 K）● 高効率測定によりこれまで捉えきれなかった原子・スピンの微小な動きを捉える● 検出器：3.4̊ ~ 116̊（水平）、‒16̊ ~ 23̊（垂直）● 最適試料サイズ 1φ×2 cm3● 高温スティック（T < 680 K）● その他、共通機器も利用可能（一部使用条件に制限がありますので、詳細は装置グループにお問い合わせください）

装置構成

高速ディスクチョッパー

真空散乱槽内部と中性子検出器

CONTACT
河村聖子（装置責任者）
seiko.kawamura@j-parc.jp

古府麻衣子（副装置責任者）
maiko.kofu@j-parc.jp27Cold-Neutron Disk-Chopper Spectrometer(AMATERAS)

得られる情報

BL14

主な利用例

● Å オーダーの空間スケールで起こる 0.1 meV から
数 10 meV の格子振動や磁気的励起などを観測できる● 強相関電子系、量子スピン系における磁気励起や格子振動の解明● 原子や分子の拡散・緩和的な運動について、運動の速さ（0.05 ps ~ 50 ps）や空間スケール（2 ~ 20 Å)、構造との関係性を調べることができる● 高分子や生体物質における分子の運動や柔らかさの解明

ゴムを構成するポリマー、フィラーのダイナミクス情報の解明● 液体中の振動、拡散現象や非晶質の低エネルギーダイナミクスの解明● 熱電材料など機能性材料の振動状態の解明

圧力誘起固体冷凍機に向けた
巨大バロカロリック効果 9) 材料

トリプロンバンド分裂とトポロジカルエッジ状態（Ba2CuSi2O6Cl2）

ネオペンチルグリコールの非調和格子振動

B. Li et al., Nature 567, 506 (2019) (©2019 Nature PublishingGroup).

住友ゴム工業株式会社 他

K. Nawa et al., Nature Commun. 10, 2096 (2019) (©2019
Nature Publishing Group).
9）は用語解説（p.62）をご覧ください。

28

BL15

中性子小角・広角散乱装置（大観）中性子小角散乱・中性子反射率

中性子小角散乱サブナノメートルからミクロンまでの空間スケールを広く見渡し、金属、磁性体、超伝
導体、ソフトマター、生体高分子およびそれらの複合体等の構造と非平衡現象を解析
特

徴

装置の仕様

高い空間・時間分解能での小角・広角散乱の高効率測定を最先端の中性子光学および検出技術により実現し、幅広い空間スケールの構造を解明する。

利用波長範囲：0.08 ~ 0.78 nm（非偏極中性子）
0.25 ~ 0.78 nm（偏極中性子）q 範囲：
7×10-3 ~ 170 nm-1（非偏極中性子）
7×10-3 ~ 25 nm-1（偏極中性子 )試料環境機器
試料交換機、3 K ／ 4 K 冷凍機、1 T マグネット、
4 T クライオマグネット、10 T マグネット、
レオメータ、引張試験機、調湿装置、レーザー加熱炉、ガス／蒸気吸着装置等

装置構成
調湿装置

1 T マグネットと
4K 冷凍機

レーザー加熱炉（チャンバー部）と加熱イメージ図CONTACT
高田慎一（装置責任者）
器
機 ー等

学
光 ッパ
流 、チョ

shinichi.takata@j-parc.jp

試料位置

廣井孝介（副装置責任者）

上 ト

ッ
スリ

kosuke.hiroi@j-parc.jp

真空散乱槽

大石一城

検出器配置
試料交換機

29

k_ohishi@cross.or.jp

レオメータ

Small and Wide Angle Neutron Scattering
Instrument (TAIKAN)

得られる情報

BL15

主な利用例

● サブナノからミクロンスケールの構造情報● 小麦粉製品中のグルテンの階層構造の観察● ナノ磁性材料、生体材料、複合体の構造解析● フェノール樹脂ゲル化過程における不均一構造解析● 非平衡現象の解明● タイヤゴム材料のナノ構造解析 ( 水素核スピン偏極 )● 燃料電池電極用固体高分子材料の研究● 鉄鋼材料中の微小析出物の解析● 磁性材料のナノ磁気構造解析-1

I(Q) (cm )

10

3

10

2

10

1

10

0

10

-2

10

-3

1.0

2.0
3.0
-1
Q (nm )

10

超小角

-3
-4

10

小角

-5

10

b
中角
高角

-6

10

-3

10

10

-2

10

-1

sample:スルホン化炭化水素

4.0

-2

10

プロトン伝導度の傾向（QP > MP > BP）と水クラスターの連結性の相関を明らかにする

SANS-J (JRR-3)

-1

10

a

大観
SAXS(SPring-8)-14I(Q) (cm )10

フッ素フリーアイオノマー膜の高湿度環境下での構造解析

偏極中性子解析実験による磁気構造解析

測定例（試料：メソポーラスシリカ）

10

0

背面

10

1

10

(a) SPP-MP, (b) SPP-BP, (c) SPP- QP 膜の 80℃, 0-80%RH(D2O) における SANS パターン。モデル関数でフィッティング
した結果

2

-1

Q (nm )

大観の測定領域岩瀬裕希，オレオサイエンス 16, 10（2016）（© 2016
日本油化学会）.

TEM
散乱中性子のスピン状態は物質の磁気モーメントの方向によって変化するため、Spin-ﬂip、Non-spin-ﬂip 散乱を観測すること
により磁気構造を決定する

R. Takagi et al., Nat. Commun. 13, 1472 (2022). (©2022
SPringer Nature)

(a)

(b)

(c)

D

SPP-MP、SPP-BP、SPP-QP 膜の 80℃、80%RH での形態モデル図

K. Shiino, et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2 (12), 5558.
(©2020 American Chemical Society)

30

BL16

ソフト界面解析装置（SOFIA）

中性子反射率
中性子反射率ソフトマターを中心とした、物と物との境界である「界面」で起こる未知の現象を解明する試料水平型の中性子反射率計
特

徴

装置の仕様

● 中性子の高い透過性や同位体を区別できる性質を利用して、通常の方法では観察できない界面のナノ構造を調べる。
● ビームを下に向けることで、固体界面だけでな
く、気液界面・液液界面の構造も調べられる。

● 大強度ビームによる短時間測定
全 Q 領域の測定に要する時間 ( 目安 )気体 / 固体界面 : 1 時間程度 (50 mmφ)
液体 / 固体界面 : 1 時間程度 (75 mmφ)
気体 / 液体界面 : 20 分程度 (40×40 mm2 )
液体 / 液体界面 : 6 時間程度 (20×40 mm2 )● 広い波長バンドによる広 Q 領域の同時測定
時分割測定用（時間刻み : 数秒 - 数十分）
● 低バックグラウンド : R > 10-7

試料環境機器● 温調 : 高温（室温 ‒250℃）/ 低温 (0 ~ 100℃）/
レーザー（室温 ‒300℃, 急速加熱）● 固体 / 液体界面測定用試料セル（リモートインジェクション可）● 気体 / 液体界面測定用試料セル（Langmuir トラフも利用可）● 液体 / 液体界面測定用試料セル
温調ステージ

固液界面

気液界面

液液界面

● 自動測定プログラム（アライメント機能付）

装置構成

CONTACT

試料ステージ

瀬戸秀紀（装置責任者）
hideki.seto@kek.jp

山田悟史（副装置責任者）
norifumi.yamada@kek.jp

多数の試料を設置可能©HAYASHI Yuki

31

山田雅子

masako.yamada@kek.jp

Soft Interface Analyzer(SOFIA)

BL16

得られる情報主な利用例● 固体と固体や固体と液体、気体と液体など様々な界面の膜厚やラフネスの評価● 溶媒中での機能性高分子の膨潤挙動● 深さ方向に対して数ナノメートルからサブマイ
クロメートルのスケールに渡る平均構造を観測できる。

● アニール過程における高分子薄膜の構造変化

Liquid Crystal

ネマティック液晶のガラス表面における配向状態を観察
Soft Matter, 18, 545 (2022).
©2022 Royal Society of Chemistry

Tribology● 積層構造を有する有機デバイスの界面観察● リチウムイオン電池の電極界面

Solar cell

有機太陽電池薄膜の深さ方向に対する相分離挙動
をＸ線との相補利用により解明
Soft Matter 7 (2011) 9276–9282.
©2010 Royal Society of ChemistryBattery

リチウムイオン電池の充放電による負極表面における被膜の形成過程をオペランド計測
ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 9540–9544.
©2016 American Chemical Society

Naﬁon

OLED
自動車用エンジンオイルの摩擦低減効果の解明
Tribol. Int., 167 (2022) 107365.
©2022 Elsevier Ltd.

プロトン伝導膜が水で膨潤する際に、ネットワーク構造が形成される過程を経時変化観察
Langmuir 34 (2018) 15483–15489.
©2018 American Chemical Society

有機 EL の成膜プロセスの違いによる発光性能の差を界面構造の違いにより説明
Adv. Mater. Interfaces 1 (2014) 1400097.
©2014 Wiley-VCH GmbH, Weinheim

32

BL17

偏極中性子反射率計（写楽）

中性子小角散乱・中性子反射率

中性子反射率

偏極中性子を利用することで磁化の構造を評価可能な反射率計
特

徴

装置の仕様

● わずかな角度で入射した中性子の反射率スペク
トルを測定することで、薄膜状試料の層構造をナノメートルオーダーで評価。
● 偏極中性子を入射することで、磁性層中の磁化の向きを評価。

1. 主な仕様● 測定 q 領域 : 0.05 ~ 17.9 nm-1（非偏極）0.1 ~ 8.19 nm-1（偏極）● 最大 97% の偏極率
● 0 次元 3He 検出器● MWPC 型 2 次元検出器
2. 試料環境● 1 T 電磁石、7 T 超電導磁石● 4 K 冷凍機
● 液中測定セル● 電気化学測定セル● 試料ステージの自由度が高く、幅広い実験に対応可能（光照射など）

試料環境機器● 外部磁場（7 T まで）● 温度（4 K ~ 室温）● 専用電気化学セル● 恒温・恒湿チャンバー（温度 5 ~ 85℃、湿度 0 ~ 85%RH）● 固体 / 液体界面測定セル

装置構成

CONTACT青木裕之（装置責任者）
hiroyuki.aoki@j-parc.jp

花島隆泰（副装置責任者）
t_hanashima@cross.or.jp
湿度発生装置33

恒温恒湿セルPolarized Neutron Reﬂectometer(SHARAKU)

BL17

得られる情報主な利用例● 固体と固体や固体と液体、気体と液体など様々な界面の膜厚やラフネスの評価● 高分子膜への吸湿プロセスの解析● 空間スケールはナノメートルからサブマイクロメートル● トポロジカル絶縁体 / 強磁性体界面における磁気構造解析● 界面での磁性とその深さ方向変化

解析によって得られた散乱長密度 プロファイル● 高分子電解質中のプロトン伝導パスの解析● 電極界面における電気二重層の構造解析

調湿環境下の材料界面の構造

Ni/FeMn 界面における磁気モーメントの構造

ポリビニルアルコール（PVA）薄膜の膨潤挙動

Cu/Ni/FeMn/Cu 金属多層膜の磁気モーメントの磁場依存性を、深さを変えて測定

34

BL18

特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置（千手）

中性子回折
中性子回折

モデルフリーで結晶構造・磁気構造を高精度に解明する
特

徴

装置の仕様

● 広い逆空間を効率的に測定し、水素原子位置や複雑な磁気構造を決定● 極低温や磁場などの複合特殊環境下での測定を実現

試料環境機器● 室温測定用ゴニオメータ（１軸／２軸）● 最大格子長：~ 50 Å
● 試料推奨サイズ：1 × 1 × 1 mm (@200 kW)> 0.5 × 0.5 × 0.5 mm3 (@1 MW)● GM/ パルス管冷凍機（> 4 K）

● 検出器範囲 ：‒13°~ ‒167°+58°~ +167°● 3He 冷凍機（> 300 mK）

3● 2K 冷凍機（> 2 K、希釈冷凍機と組合せて > 50 mK）● マグネット（< 7 T、> 2 K、希釈冷凍機と組合せ可）● ニオブ高温炉（< 1500 K）

装置構成

CONTACT
大原高志（装置責任者）
takashi.ohhara@j-parc.jp
千手の外観

千手の概略

鬼柳亮嗣（副装置責任者）
ryoji.kiyanagi@j-parc.jp

中尾朗子（問い合せ先）
a_nakao@cross.or.jp
千手で得られる典型的な回折パターン

35

Extreme Environment Single Crystal Neutron
Diﬀractometer (SENJU)

得られる情報

BL18

主な利用例

● 巨大結晶が得られない試料の構造解析● 微小有機単結晶の中性子構造解析● 低温、磁場等の特殊環境下での構造－機能相関● 有機誘電体中のプロトンの秩序－無秩序転移の観察● 重い電子系物質が示す複雑な磁気構造の解明● 材料中の組織構造の分析(© 2016 IUCr)(© 2015 John Wiley & Sons)

36

BL19

工学材料回折装置（匠）

中性子回折
中性子回折

材料工学における実用材料等の内部応力、組織等に係る様々な課題を解決する
特

徴

装置の仕様

● 直行２方向以上の散乱ベクトル（左の情報）の同時測定● 短時間・高精度での測定● 測定部位を絞り、試料をスキャンすることで、
格子ひずみ等の分布を測定● 変形試験機、低温装置（10 K ~ ）、高温装置（ ~ 1000℃）など、豊富な試料環境

試料環境機器● 標準引張試験機（50 kN、引張、圧縮）● 高温引張試験用高温炉（1273 K）● 液体窒素低温引張試験システム（100 K ‒ 473 K）● 極低温引張試験機（50 kN, 10 K ‒ 220 K）● 疲労試験機（60 kN, < 30 Hz）● 小型試料用高温引張試験機（25 kN, 1273 K）● 熱膨張測定機（1273 K）● オイラークレイドル● 電場印加装置、熱風機、サーモグラフィカメラ● 分解能 Δd/d：0.17 ~ 0.4%
● d 範囲 : 0.05 ~ 0.29 nm（標準）、
0.05 ~ 0.50 nm（広範囲）● 試料ステージ：700×700 mm、耐荷重 ~ 1 t● ラジアルコリメータ：1 mm、2 mm、5 mm● マッピング測定● 様々な環境でのその場測定

装置構成
GM stage
Ther. anchor

slits

匠

-90 deg scat.
detector

Heater
Thermocouple
Extensometer+90 deg scat.
detector

変形試験
collimators

低温＋変形

Specimen

高温＋変形

CONTACT

sample table

ハルヨ ステファヌス（装置責任者）
stefanus.harjo@j-parc.jp

川崎 卓郎（副装置責任者）
マッピング測定

takuro.kawasaki@j-parc.jp

その場測定
電場＋温度

37

Engineering Materials Diﬀractometer(TAKUMI)

BL19

得られる情報主な利用例● 格子ひずみ（応力）、結晶欠陥（転位、結晶子サ
イズ等）、集合組織、相分率、相変態● 鉄鋼、軽金属材料の変形（室温、低温及び高温）中のその場解析による変形機構、機能発現機構 等の解明

マッピング測定● 金属材料の加工・熱処理過程中のその場解析による組織制御プロセスの解明● 金属構造物の残留ひずみ・応力分布測定● 岩石、コンクリート、セラミックスなどの非金属材料の格子ひずみ等の評価
Typical Inverse Pole Figures
111

100

101 100
111

100

100

101 100

101

101 100

101
111

101 100
111

100

101 100

導入前の試験運転では特性劣化がみられた。試験後の残留応力測定で原因を解明
し、改良が行われた。

111

111

101 100
111

ITER 用超伝導導体の試運転での劣化の解明

111

111

101 100
111

集合組織；逆極点図

111

101
111

101 100

Ave.
strain101

K. Oikawa et al., JSPS Conf. Proc., accepted for publication. (©JSPS)

鉄鋼材料の加工熱処理過程のその場測定
加工・熱処理過程における金属
材料の微視的組織の研究● 急速加熱・冷却（30℃/s）● 変形速度 : 100 mm/s

S Harjo et al., Materialia 7 100377 (2019) (©2019 Elsevier)

その場測定+10C/sα

T Yamashita et al., Scripta Materialia 177, 6-10 (2020) (©2020 Elsevier)10s
holdingfield cent.

terminal

T Hemmi et al., Superconductor Science and Technology
26 084002 (2013) (©2013 IOP Publishing）● 超伝導相 : Nb3Sn● 導体製造により Nb3Sn に圧縮熱応力● 高磁場部 HFZ では座屈等による熱応力の緩和がみられた

製造過程の模擬試験

sliced per 1 second

850C, γ-30C/sjointstrainingcooling● 1 秒間隔での観察● 850℃ではγ単相● 700℃に急冷、縮変形を加えるとαへの変態が促進
A Shibata et al., Scripta Materialia 165 (2019) 44-49(©2019 Elsevier）

0.147

0.160

0.173

0.187

0.200

0.213

La�ce spacing (nm)

38

BL20

茨城県材料構造解析装置（iMATERIA）

中性子回折
中性子回折

広 d（格子長）領域での回折及び小角散乱の迅速かつ高精度な測定が可能な汎用
中性子散乱装置
特

徴

装置の仕様

● 高分解能粉末回折機能◆粉末材料の結晶構造解析◆自動試料交換機構（ロボット）による連続迅速測定● 小角散乱機能◆多成分系材料のナノ構造解析◆ 動的核スピン偏極によるナノ構造解析● 広角検出器配置機能◆マルチスケール構造解析◆ 細分化したバンクによる結晶配向（集合組織）解析◆ 全散乱機能による局所構造（結晶PDF、非晶質構造）解析

試料環境機器● 測定領域：0.2 < d < 2000 Å● 分解能：Δd/d ~ 0.16%（高分解能バンク）● 標準測定時間：目安となる時間＊
粉末回折 10 min @ 500 kW（Li 電池正極材料）
集合組織 7 min @ 500 kW（鉄鋼材料）
小角散乱 5 min @ 500 kW（高分子材料）＊試料の構成元素や組成、測定目的等により異なる。

● 試料交換機構（室温・常圧・真空）● 真空高温炉（RT ~ 900℃）● 雰囲気制御高温炉（RT ~ 1000℃）● 冷凍機（‒270℃ ~ RT、RT ~ 400℃）● 急速加熱冷却装置（RT ~ 1000℃、昇温 : 10 K/s、降温：20 K/s 以上）● 高温万能変形試験機（RT ~ 1000℃、最大荷重：50 kN）● 小角散乱用試料交換機● 核スピン偏極用超電導マグネット（7 T）

装置構成
自動試料交換ロボット付
Δd/d = 0.16%
高分解能
バンク検出器

小角散乱
検出器

試料散乱槽

自動試料交換搬送機構

高温万能変形試験機

CONTACT石垣徹（装置責任者）

t_ishigaki@cross.or.jp
充放電機能付通電機構

中性子ビーム

低角バンク
検出器
特殊環境
バンク検出器Δd/d = 0.5%39

急速加熱冷却装置

池田一貴

k_ikeda@cross.or.jp

羽合孝文

t_hawai@cross.or.jp

IBARAKI Materials Design Diﬀractometer(iMATERIA)

BL20

得られる情報主な利用例● 結晶構造解析● ナノ構造解析● 結晶配向解析（集合組織）● 局所構造解析（結晶、非晶質）● 全固体型リチウムイオン電池用の固体電解質開発● 充放電時のリチウムイオン電池用電極材料の結晶構造変化の動的測定● 光触媒コーティング液の開発● 燃料電池用白金代替触媒の開発● 架橋網目構造の解析による高性能ゴム材料の開発● 洗剤泡沫の構造及び崩壊過程の解明による界面活性剤の開発● 鉄鋼材料の集合組織の迅速測定● 鉄鋼材料の相分率（残留オーステナイト量など）の高精度測定● 熱処理工程における鉄鋼材料の微細組織構造変化の動的観察

全固体リチウムイオン電池用
新規固体電解質のイオン導電経路の解明

鉄鋼材料の微細組織制御工程を模擬した
環境下でのその場中性子回折測定
急速加熱冷却装置による相変態挙動の測定

洗剤泡沫の崩壊過程のその場中性子小角散乱測定

J-PARC MLF のパルス中性子と飛行時間測定法の特徴を活かして瞬時に広 q 領域の中性子散乱を測定
泡立ちが良くかつ泡切れが良い洗剤の実現に向けた新規界面活性剤の開発
界面活性剤の違いによる
泡沫構造とその崩壊過程を解析

673 Ｋ恒温保持中に生じるベイナイ
ト変態により炭素濃度が低いオース
テナイトが徐々に消費され、炭素濃度が高いオーステナイトが出現

リチウムイオン電池ラミネート型セルの充放電時のその場中性子
ラミネート型
セル用ホルダ

炭素濃度の違うオーステナイトを別の相として扱うことにより両者の存在比率を定量的に求めることが可能

高温万能変形試験機による集合組織変化の測定• 泡沫内に溶液内と同様の界面活性剤のミセルが存在• 泡沫の膜厚は大きく変化しない• 泡沫内の水の排水過程を観測

界面活性剤溶液を空気ポンプで起泡させて泡沫部に中性子ビームを照射してその崩壊過程を時分割小角散乱
法で測定
起泡
界面活性剤
溶液

空気
ポンプ
泡立て器

中性子
ビーム

泡沫の形態

充電に伴う積層型電池セルの回折パターン
充放電レート 0.1C

充放電レート 1C

室温 (a) 及び高温 (b) での引張変形に伴う (011) と (111) 配向度の変化を測定

１分ごとのマッピング表示のうち負極付近 (3.2A-3.9A) を拡大したもの

１分毎の時分割データとして、Rietveld 解析により
正極・負極の構造変化を解析可能

高温引張変形時に見られる応力の振動に対応した集合組織変化を観測

40

BL21

高強度全散乱装置（NOVA）

中性子回折
中性子回折

結晶から、液体、非晶質まで構造解析可能な中性子全散乱装置
特

徴

装置の仕様

● 世界最高レベルの高強度を利用した中性子全散
乱測定および粉末回折測定● 広い運動量遷移空間の測定（高い実空間分解能）

試料環境機器● Q 領域：0.03 ~ 100 Å-1（d 領域：0.06 ~ 200 Å）● 自動試料交換機（SC） 試料数：40（室温）● 最高 Q 分解能：ΔQ/Q ~ 0.35 %● 温度制御型試料交換機（TSC）
試料数：18、温度：20 ~ 700 K● 散乱角 2θ：0.7°~ 170°
● 標準試料体積：直径 6 mm× 高さ 20 mm（約 0.6 cc）

装置構成● トップローディング型クライオスタット（TLC）
温度：5 ~ 700 K● 非弾性散乱測定用フェルミチョッパー
分解能：5 ~ 20 %● 2K クライオスタット（MLF 共通 SE）
温度：1.8 ~ 300 K

試料● 3He クライオスタット（MLF 共通 SE）
温度：0.3 ~ 300 K

中性子

CONTACT
本田孝志（装置責任者）
takhonda@post.kek.jp

入射中性子
散乱中性子
中性子検出器41

ビームサイズ（最大）：20 × 20 mm2

Heガス位置敏感型
中性子検出器2 MPa ½ inch 800 mm
3

大下英敏（副装置責任者）
ohshita@post.kek.jp

High Intensity Total Diﬀractometer(NOVA)

得られる情報

BL21

主な利用例

● 水素等の原子位置や磁気構造とその変化● 少量試料の中性子回折測定による結晶・局所構造● 最隣接原子間距離からナノメートル程度の構造変化● その場測定による短時間の構造変化● 非晶質や液体などの揺らぎ系の構造解析● 同位体置換を利用した固体・液体の局所構造

高速測定例● その場測定による低温 / 高温・（ガス）圧力下の構造変化

ヒドリド伝導体 Ba-Li 酸水素化物の構造科学

同位体置換による
CS2 溶液中の硫黄分子の局所構造の解明
Y. Kameda et al., Bull.
Chem. Soc. Jpn., 95,
1481 (2022)(© 2022 The Chemical
Society of Japan).

（左上）SiO2 ガラスの 1 sec 測定（左下）Si 粉末の 40 msec 測定曲線（右）Pd 重水素吸蔵過程（10 sec）の測定

F. Takeiri et al., Nature Mater., 21, 325 (2022)(© 2022 Springer Nature).

42

BL22
中性子イメージング
中性子イメージング

エネルギー分析型中性子イメージング装置（螺鈿）中性子透過率のエネルギー依存性の解析により、試料内部の形状、結晶情報、
元素情報、磁気情報を可視化実施可能なイメージング手法

装置の仕様● エネルギー分析型中性子イメージング
ブラッグエッジイメージング
共鳴吸収イメージング
偏極中性子イメージング
位相イメージング● 利用波長範囲：λ < 8.8 Å（L=18 m, 25 Hz）● フィルター（Cd、Bi、Pb、BK7）● 波長分解能（Δ λ / λ）：0.2%● 試料ステージ（大型：耐荷重 1.0 t、中型：耐荷重 650 kg、小型：
耐荷重 10 kg）● 中性子強度（試料位置での中性子束 @1 MW）：
2
1.1×108 n/s/cm（E< 1 MeV、L/D＝180）● ビームサイズ：< 300×300 mm2● 中性子ラジオグラフィ・トモグラフィ

試料環境機器● 空間分解能：30 ~ 300 µm● コリメータ比（L/D）180 ~ 7500

● 試料加熱装置（抵抗加熱、赤外線ヒーター）● 偏極度解析システム（偏極ミラー、磁気シールドボックス、直流電源）● 中性子 Talbot-Lau 干渉計● 水素ガス供給・希釈装置（最大 H2 流量 10 L/min）

装置構成
Flight tube exchanger

CONTACT
篠原武尚（装置責任者）

Optical devices

takenao.shinohara@j-parc.jp

Medium stage

Large stage

Detector stage

甲斐哲也（副装置責任者）
tetsuya.kai@j-parc.jp

林田洋寿
T. Shinohara et al., Rev. Sci. Instrum. 91, 043302 (2020). (© AIP Publishing LLC)

43

h_hayashida@cross.or.jp

Energy Resolved Neutron Imaging System(RADEN)
得られる情報● ラジオグラフィ・トモグラフィ
非破壊内部観察、欠陥探査、液体挙動● ブラッグエッジイメージング
結晶組織情報、歪み分布● 偏極中性子イメージング
磁場情報● 共鳴イメージング
元素情報及び温度

日本刀の中性子 CT 再構成像
■ Top and side view of 3D image■ Top and side view of 3D image■ Top and side view of 3D image

Morikage

BL22
観察対象例

● ラジオグラフィ：熱交換器内の冷媒、植物の根、燃料電池内の生成水等の挙動、機械部品の欠陥探査、
in situ / in operand での撮像
● CT：機械部品、植物、コンクリート、考古学試料● ブラッグエッジ法：鉄鋼・金属材料、機械部品、考古学試料● 共鳴吸収法：リチウムイオン電池、シンチレータ材料、鉱物試料● 磁気イメージング法：モーター、電磁鋼板、トランス、磁石材料● 位相（干渉）イメージング法：金属 3D プリンティング材料、磁石材料

主な利用例
3D 偏極度解析トモグラフィによるソレノイドコイル中の磁場の 3 次元分布

Sukemasa

Masamitsu

M. Sales et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 205001 (2019) (© 2019 IOP Publishing).
Y. Matsumoto, et al, Materials Research
Proceedings 15 (2020) 221-226.
(© 2020 Materials Research Forum)

ブラッグエッジイメージングによる焼入れ処理歯車の結晶組織構造分布

自動車部品の中性子 CT 再構成像

d110

Neutron Radiograph

Plane Spacing

Projected Density

Crystallite size

44

BL23

偏極中性子散乱装置（POLANO）

中性子非弾性散乱
中性子準弾性・非弾性散乱

原子・分子におけるスピン、軌道、格子などの物理自由度のダイナミクスを分離して観測することにより、物理現象の本質を明らかにする中性子非弾性散乱装置
特徴● 飛行時間法の偏極中性子散乱を実現● 世界最高エネルギー 100 meV の偏極度解析を目指す● 広い運動量空間における測定を実現

装置の仕様

試料環境機器● 偏極：1 meV < Ei < 100 meV（目標値）● 検出器角度範囲：水平 ：‒20°~ 120°
垂直 ：‒8°~ 8°● エネルギー分解能 ΔE/Ei ≥ 2 ~ 4% @E=0
● 運動量分解能（ΔQ/ki）：1 ~ 2%● ビームサイズ：20×20 mm2（最適値）● 現在の一般利用は非偏極のみ（偏極実験は装置担当者にご相談ください）● GM トップロ―ディング冷凍機（T = 4 ‒300 K）● GM ボトムローディング 7K 冷凍機（T = 7 ‒300 K）

装置構成

supermirror analyzer(400 G)CONTACT
fun-shaped magnet(permanent 30 G)
SEOP solenoid coils
and guide ﬁelds45

横尾哲也（装置責任者）
Helmholtz coilpermanent magnet
guide ﬁeld (60 G)

tetsuya.yokoo@kek.jp

伊藤晋一（副装置責任者）
shinichi.itoh@kek.jp

Polarized Neutron Spectrometer(POLANO)

BL23

得られる情報主な利用例● 固体中における原子・分子のスピン、軌道、電荷、格子などの運動状態● 量子スピン系における縦モード・横モードの解明● 偏極行列の非対角項に現れる固体中の交差相関
物理情報● 高温超伝導における格子振動とスピン波の解明● カイラル物質の右巻き / 左巻きの解明● 電子軌道秩序状態における素励起、軌道波の解明● マルチフェロイック物質 7) のスピン ‒ 格子相互作用の解明● f 電子系における多極子秩序の観測と階層構造の解明

格子振動 - スピン揺らぎを分離（YBa2Cu3O6+d）

交差相関

Spin

Lattice

電子軌道の素励起「軌道波」探索
格子振動（フォノン）

スピン波（マグノン）

軌道波（オービトン）

ChargeOrbital

非偏極散乱実験で重なる格子振動と軌道波等の分離測定

7）は用語解説（p.62）をご覧ください。

46

D1

ミュオン物質生命科学実験装置 (Muon D1)

ミュオンスピン回転緩和共鳴
ミュオンスピン回転緩和共鳴

ミュオン素粒子の磁石の性質を利用して物質内部の局所磁場を検出。
高運動量までのビームが利用可能であり、高い透過能力を活かした高圧実験や負ミュオンによる内部磁場観察が可能
特

徴

装置の仕様

● 運動量可変パルス正負ミュオン利用の µSR 実験
装置● 圧力・極低温など様々な複合環境下での測定により多種多様な現象に対応

試料環境機器● ビーム性能 27 ~ 90 MeV/c の正負ミュオン
シングルパルス（表面ミュオン）
またはダブルパルス運転● 試料環境 温度 0.05 ‒ 1000 K
磁場 0 ‒ 0.4 T( ビーム方向 )0 ‒ 0.01 T( ビームと垂直方向 )フラッシュランプによるパルス光照射● Oxford トップロ―ディング希釈冷凍機（T = 0.05 ‒ 30 K）● Oxford 熱伝導型ミニクライオ（T = 4 ‒ 500 K）● 赤外炉 （T = 300 ‒ 1073 K）

装置構成

高温炉

希釈冷凍機

CONTACT
幸田章宏（装置責任者）
coda@post.kek.jp

髭本

亘（副装置責任者）

higemoto.wataru@jaea.go.jp

47

Muon Apparatus for Materials andLife Science Experiments

D1

得られる情報主な利用例● 内部磁場観察に基づく固体および液体中の磁気状態と電子状態● 超伝導体におけるクーパー対の対称性の解明● 物質中の微量水素の電子状態● 半導体中の微量水素の電子状態の解明● 電子・水素・イオンのダイナミクス● 超伝導体における磁束格子の解明● 量子臨界転移近傍における磁性の解明● 固体内のイオン拡散挙動の解明● 負ミュオンスピン回転緩和によるイオン拡散種の解明µ

負ミュオンで視る物質内部（MgH2）

超伝導状態における強磁性揺らぎ[(BiPb)2Sr2CuO6+d]

ミュオンの特異な時間分解能：
中性子と NMR の間を埋める

Phys. Rev. Lett. 121, 057002 (2018). (© 2018 Amerian PhysicalSociety)Phys. Rev. Lett. 121, 087202 (2018). (© 2018 Amerian
Physical Society)

48

D2

ミュオン基礎科学実験装置 (Muon D2)

ミュオン基礎科学実験・
ミュオン基礎科学実験・
負ミュオンＸ線元素分析
負ミュオンＸ線元素分析

世界最大強度の正負ミュオンビームを利用し、素粒子としてのミュオンの性質、ミュオニック原子の構造や核反応、考古学資料・希少試料等の非破壊元素分析等に関する研究を行う装置
特

徴

装置の仕様

● 運動量可変の大強度正負ミュオンが利用可能● ユーザーによる装置の持ち込み実験が可能● 負ミュオン特性Ｘ線分析装置による非破壊元素
分析が可能● ビームの種類● ビーム運動量● ビーム強度● ビーム構造● 実験機器

試料環境機器崩壊正・負ミュオン、表面正ミュオン
約 5 ~ 50 MeV/c（可変）5.0×106 µ±/s＠50 MeV/c、1 MW 時
ダブルバンチ 25 Hz
１バンチ幅 100 ns、
バンチ間隔 600 ns（キッカーにより単バンチ可が可能）
負ミュオン特性Ｘ線分析装置
その他ユーザー機器の持込が可能● 基本的にオープンスペース

装置構成

CONTACT
梅垣いづみ（装置責任者）
umegaki@post.kek.jp©HAYASHI Yuki

D2 実験エリアのオープンスペース

49

元素分析セットアップ（Ge 検出器と金貨の資料）

ストラッサー パトリック（副装置責任者）
patrick.strasser@kek.jp

D2

Muon Apparatus for Basic Science Experiments

得られる情報主な利用例● 元素分析（負ミュオン特性Ｘ線分析装置利用）● 宇宙線ミュオンを模擬したミュオン照射による半導体ソフトエラーの再現● 半導体ソフトエラー（ユーザー持込装置）● 負ミュオン特性Ｘ線による非破壊元素分析（考古学資料・隕石・電池等）● その他ミュオンに関する物理量等（同上）● ミュオンの稀崩壊現象の観察

ミュオン照射によるソフトエラー

負ミュオンによる隕石の非破壊分析

リュウグウの石
写真提供：JAXA

ミュオン原子のイメージ：
負ミュオンは重い電子として振舞う

IEEE Transaction on Nuclear Science 65, 1742 (2018). (© 2018
IEEE)

Science (2022), DOI:10.1126/science.abn8671. (©2022 AAAS)

50

H1
D2

大強度ミュオンビーム実験装置 (Muon H1)

ミュオン基礎科学実験・
大強度ミュオンを用いた実験
負ミュオンＸ線元素分析

大強度パルスミュオンビームを用いて、基礎物理などの様々な実験的研究を高精度・高
感度で行う
特

徴

装置の仕様

● 大強度で運動量可変な正負パルスミュオンビー
ムを利用可能● ユーザー装置を持ち込み、長期ビームタイムで高統計を必要とする実験が可能● 6.2m(D)×5.7m(W)×3.5m(H) のオープンスペース● 床を除く全ての面に鉄板による磁気遮蔽● パッケージ空調による温調● ビームの種類● ビーム運動量● ビーム強度● ビーム構造● 実験機器

試料環境機器表面正ミュオン、クラウド正負ミュオン
約 10 ~ 120 MeV/c
108 µ＋/s＠28 MeV/c、4×107 µ－/s＠50 MeV/c、
1 MW 時ダブルバンチ 25 Hz
バンチ幅 100 ns、バンチ間隔 600 ns
ユーザー機器の持込が可能● 基本的にオープンスペース

装置構成

CONTACT
山崎高幸（装置責任者）
takayuki@post.kek.jp
ビームポート河村成肇（副装置責任者）
nari.kawamura@kek.jp

51

H1

High-intensity muon beam for general use

得られる情報主な利用例● ミュオンに関する基礎物理量（ユーザー持込装置）● ミュオニウム超微細構造の精密測定● 素粒子標準理論を超える新物理（同上）● ミュオン - 電子転換過程の探索

ミュオニウム超微細構造
ミュオン磁気モーメント
超微細構造定数

ミュオニウム超微細構造の精密測定（MuSEUM 実験）

ミュオン - 電子転換過程の探索（DeeMe 実験）ν12+ν34 = ∆νHFS
ミュオン 𝒈𝒈 𝒈 𝟐𝟐

標準理論を超える新物理

ミュオニウム1s-2s
ミュオン質量H lineミュオン‒電子転換過程

標準理論を超える新物理

52

S1

汎用 µSR 実験装置（ARTEMIS）

ミュオンスピン回転緩和共鳴
ミュオンスピン回転緩和共鳴

素粒子ミュオンの磁石としての性質を利用して物質内部の局所磁場を検出
表面ミュオン専用なので、高い計数速度を利用した微小試料測定や反応過程測定も可能
特

徴

装置の仕様

● 運動量固定のパルス正ミュオン利用の µSR 実験装置● 検出器は D1 と同様の性能

試料環境機器● ビーム性能◆27 MeV/c の正ミュオン◆800 kW シングルパルス・ダブルパルスの両モードで運転可能● ミュオン強度◆φ25 mm 試料：
ダブルパルス運転で 180 M events/hour、
シングルパルス運転で 90 M events/hour◆φ10 mm 試料：
ダブルパルス運転 60 M events/hour、
シングルパルス運転 30 M events/hour● Oxford 3He 冷凍機（T = 0.3 ~ 30 K)● Oxford 熱伝導型ミニクライオ（T = 4 ~ 450 K)● 赤外炉（T = 300 ~ 1073 K）

装置構成

CONTACT中村惇平（装置責任者）

赤外炉

jumpei.nakamura@kek.jp
He 冷凍機

3

西村昇一郎（副装置責任者）
nishimu@post.kek.jp

53General purpose µSR spectrometer(ARTEMIS)

S1

得られる情報主な利用例● 内部磁場観察に基づく固体および液体中の磁気状態と電子状態● 超伝導体におけるクーパー対の対称性の解明● 物質中の微量水素の電子状態● 半導体中の微量水素の電子状態の解明● 電子・水素・イオンのダイナミクス● 超伝導体における磁束格子の解明● 磁性材料の合成反応過程の解明● 固体内のイオン拡散挙動の解明● In operando 測定による反応機構の解析µ

水素貯蔵材料の脱離反応過程（MgH2）
粉砕加工無し半導体中の微量水素の状態解析(InGaZnO4)

粉砕加工有りミュオンの特異な時間分解能：
中性子と NMR の間を埋める

Δは µSR で決めた核磁場分布幅

Sustainable Energy & Fuels 3, 956 (2019). (© 2019 Royal
Society of Chemistry)Appl. Phys. Lett. 115, 122104 (2019). (© 2019 AIP
Publishing)

54

S2
S1

ミュオニウムレーザー物理実験装置（Muon S2）

ミュオンスピン回転緩和共鳴
ミュオン基礎科学実験

レーザーを用いたミュオニウムのエネルギー準位精密測定、あるいはミュオニウムの 3 光子イオン化による超低速ミュオン生成を行う
特

徴

装置の仕様

● 表面正パルスミュオンビームを利用可能● ユーザー装置を持ち込み、長期ビームタイムで高統計を必要とする実験が可能● レーザーを使った実験のために、完全密閉されたエリアを使用可能● ビーム性能◆ 27 MeV/c の正ミュオン◆ シングルパルス・ダブルパルスの両モードで運転可能（S1 エリアとの連携が必要）● ビーム強度◆ ~ 3×106 µ+/s（シングルパルス）、760 kW 時

試料環境機器● 基本的にオープンスペース● エリアサイズ◆長さ：5.0 m◆幅：3.8 m◆高さ：2.8 m● ユーティリティ
◆冷却水◆電気◆圧縮空気・排気装置構成

CONTACT
ストラッサー パトリック（装置責任者）
patrick.strasser@kek.jp

中村惇平（副装置責任者）
jumpei.nakamura@kek.jp

55

S2

Muonium Laser Physics Apparatus

得られる情報● 加速器から引き出した表面ミュオンからミュオ
ニウム（ミュオンの周りを 1 個の電子が回っている原子のような状態。Mu と表記）を生成

主な利用例● ミュオニウム精密レーザー分光実験● 高周波リニアックによるミュオンの再加速実験● レーザーで Mu をイオン化（共鳴電離法）● 熱エネルギー（約 0.03 eV）を持つ超低速ミュオン
を生成

シリカエアロゲル生成標的
表面正ミュオンビーム（4MeV）

ミュオニウムの 1s–2s エネルギー準位精密測定

高周波リニアックによるミュオンの再加速

ミュオニウム（0.03 eV）

超低速ミュオン（数 eV～）
イオン化レーザー

超低速ミュオン生成原理

ミュオニウムのエネルギー準位
レーザー分光法

植竹 智 et al., 高エネルギーニュース , 39 (4), 170 (2021)（©2021 高エネルギー物理学研究者会議）

D2 エリアでの予備実験結果（2017年）
S. Bae et al., Phys. Rev. Accel. Beams 21, 050101 (2018)(©2018 American Physical Society)

56

U1A
U1

超低速ミュオン顕微鏡実験装置 (U1A)

ミュオンスピン回転緩和共鳴
ミュオンスピン回転緩和共鳴

極微の方位磁石で表面・界面の磁性を解き明かす高時間分解・深度分解プローブ
特

徴

装置の仕様

● 熱ミュオニウムのレーザー共鳴イオン化による超低速ミュオン● 表面ミュオンの 1/1000 程度の打ち込みエネル
ギー● パルスビームでありながら連続ビームに匹敵す
る時間分解能● 通常の表面ミュオンビームの 1/10 程度のビーム
サイズ

試料環境機器● 低速化した正電荷ミュオン（μ+）● ヘリウム冷凍機：4.2 K ~ 300 K● エネルギー：0.5 keV ~ 30 keV（可変）● 静磁場：0.14 T（最大）● エネルギー幅：50 eV 程度（FWHM）● 電流導入、電圧印加● 時間分解能：1 ns（Std. dev.）● ビームサイズ：1.6 mm（Std. dev.）● 試料輸送用ロードロックチェンバー● RHEED 装置● 512 チャンネルの陽電子検出器

装置構成

CONTACT
神田聡太郎（装置責任者）
kanda@post.kek.jp

高電圧ステージ

57

ミュオンスピン分光器

池戸豊（副装置責任者）

ikedo@post.kek.jp

U1A

Ultra-Slow Muon Microscope (Muon U1A)

得られる情報主な利用例● 内部磁場観察に基づく固体試料中の磁気状態および電子状態とその深度依存性● 通常のμSR では難しい薄膜試料・微小試料の磁性研究● 物質中の微量水素の電子状態● 界面で発現する超伝導の研究など物質内部を選択的に観察するμSR 測定● 物質中の電子・水素・イオンのダイナミクス● 低エネルギーのミュオンと物質との相互作用

銅への超低速ミュオン打ち込み深度（シミュレーション）● 超伝導体の磁場侵入長の決定など深度分解能の必要なμSR 測定● 低エネルギーのミュオンおよびミュオニウムの素過程に関する研究

SiO2/Pt/SiO2/Pt 多層薄膜試料の USM -μSR

58

共通試料環境機器
中性子実験装置
機器名

低温

高温

GM クライオファーネス

温度範囲：5 ~ 750 K

2 K クライオスタット

温度範囲：1.7 ~ 250 K

3He 冷凍機

温度範囲：0.3 ~ 300 K

希釈冷凍機

温度範囲：	100 mK ~ 40 K…
組み合わせ機器：7 T 超伝導マグネット，2 K クライオスタット

ニオブ高温炉

温度範囲：室温 ~ 1500℃（真空），室温 ~ 1000℃（ヘリウムガス中）

小角、反射率用電気炉

小さな窓のヒーター 散乱角 ± 15°をカバー
温度：室温 ~ 1000℃（真空），室温 ~ 900℃
（ヘリウムガス中）
大開口角のヒーター 散乱角 ± 40°をカバー
温度：室温 ~ 800℃（ヘリウムガス中）縦磁場 7 T 超伝導マグネット
強磁場

光照射

高圧

引張

パルスマグネット

最大磁場：7 T（-7 T で逆磁場）縦磁場
温度範囲：3 ~ 300 K
最大磁場：30 T（maximum）
試料温度：3 K（minimum）
繰り返し時間：数分毎

キセノン光源

300 W

水銀光源

250 W

LED 光源367 nm（FWHM: 9 nm），0.53 W
441 nm（FWHM: 18 nm），0.62 W

中性子同時測定用ラマン分光器

励起レーザー波長：785 nm

Paris-Edinburgh pressure cell

加圧方式 対向アンビルセル
最大印加荷重 130 tonf
温度：室温
最高発生圧力：20 GPa（実験条件による。要事前相談）

自動調圧用シリンジポンプ

パリエジンバラセル加圧用

二軸引張試験機
長期変形（疲労）試験機 ＊59

概要

408 nm（FWHM: 11 nm），1.34 W …
521 nm（FWHM: 44 nm），0.50 W

最大荷重 50 kN
取付可能試験片サイズ：全長 130 mm 以上（十字形試験片の場合）
厚さ 0.5 ~ 10 mm
荷重：引張圧縮 50 kN，0.01 ~ 100 mm/min
温度：室温

中性子実験装置
機器名
ソフトマター

調湿概要

レオメーター

測定温度：-50 ~ 150℃
トルク：1 nNm ~ 200 mNm

高精度ガス / 蒸気吸着量測定装置

吸着質：N2，Ar，H2O，D2O など

重水軽水混合調湿ガス発生装置（２つの調湿ガスラインと二温度法による露点制御）

生成露点（-15 ± 0.2）℃dp から（+85 ± 0.2）℃dp
最大流量 3 L/min
使用実績BL：02, 14, 15, 17

生成露点 -36℃dp から +85℃dp, 精度± 1% RH@23℃
分流方式調湿ガス発生装置
最大流量 1 L/min（乾燥ガスとの混合による相対湿度制御）
使用実績BL：02, 15, 16, 17＊

準備中

共通試料環境機器（ミュオン）
ミュオン実験装置
機器名

低温

高温

強磁場

概要

ミニクライオ
マイクロスタット

温度範囲：5 ~ 370 K
温度範囲：4 ~ 450 K

無冷媒希釈冷凍機

最低温度：90 mK
最大試料空間：40 mm Φ

縦型冷凍機

温度範囲：2 ~ 300 K

3He 冷凍機

温度範囲：0.3 ~ 30 K

高温炉

温度範囲：300 ~ 1000 K

縦磁場電磁石

磁場仕様：0 ~ 0.35 T

横磁場電磁石

磁場仕様：0 ~ 0.0125 T

小型横磁場コイル

磁場仕様：0 ~ 0.04 T

U1A 電磁石

磁場仕様：0 ~ 0.12 T

60

用語解説
１）フラストレート量子磁性体

BL01 / 6頁

BL12 / 26頁

４）超常磁性

BL06 / 16頁

幾何学的配置や逆の効果をもつ相互作用の競合によって、スピン間に働くナノ粒子の磁気エネルギーは非常に小さく、周囲の熱エネルギーによって全ての相互作用エネルギーを最低にすることができない状況にある磁性体を磁化の向きがたやすく乱されてしまう。このため、ひとつひとつのナノ粒子

フラストレート磁性体という。

が強磁性 ( 磁化 ) を持っている場合でも、異なる粒子間では磁化の向きはばら

抜粋：J-PARCプレスリリース https://www.j-parc.jp/c/press-release/2019/10/19000342.html

ばらになろうとする。この状態を超常磁性とよぶ。
抜粋：SPring-8プレスリリース http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_
release/2004/040909/

２）遍歴磁性体

BL01 / 6頁

一般的に固体中の電子は、結晶全体に広がって自由に動き回る「遍歴状態」と、原子周囲に束縛された「局在状態」の二種類に分類される。

５）巨大磁気体積効果と負の熱膨張

希土類やアクチノイド化合物における f 電子は、この「遍歴状態」と「局在BL08 / 18頁

負の熱膨張の起源となっているのは、磁気秩序の消滅に伴う体積収縮、い状態」の中間的な性質を持っており、非常に複雑で奇妙な振る舞いを示す。

わゆる磁気体積効果である。

抜粋：SPring-8プレスリリース http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release

抜粋：日本中性子科学会第7回年会予稿集/2007/070901/

６）SEOP（spin-exchange optical pumping）
３）ドップラーシフター

BL05 / 13頁

3

BL10 / 22頁

He スピンフィルターは、エネルギーにして冷中性子領域から熱中性子領域

BL05 - NOP ビームラインでは、超冷中性子（UCN - ultra-cold neutron）にの中性子を偏極することができることに加えて、ガスであるため自由な形状による中性子光学デバイス研究や UCN 検出器開発のため UCN ドップラーシフ

でき広い中性子散乱角度をおおうことができるというメリットを持つ。SEOP

ターを装備している。UCN ドップラーシフターは、高反射率を有する中性子（spin-exchange optical pumping）法では、光ポンピングによりルビジウム等

スーパーミラーを入射中性子速度の 1/2 で入射中性子の進行方向に移動させ、アルカリ金属原子の最外殻電子を偏極させ、これと 3He の原子核がスピン交

そのスーパーミラーで反射した中性子が速度を失うことにより UCN 化させる

換をすることにより 3He 核偏極を実現する。

装置である。

抜粋：KENS月例報告 https://www2.kek.jp/imss/kens/topics/2012/12/071914.html

抜粋：KENS月例報告 https://www2.kek.jp/imss/kens/topics/2014/04/111232.html

61

利用案内
７）マルチフェロイック物質

BL12 / 26頁

BL23 / 46頁

誘電性と磁性が構造を通じて結合し、磁気的性質と電気的性質が相互に結びついている物質であり、様々な電子デバイスへの応用が期待される。
抜粋：J-PARC 研究成果 https://j-parc.jp/researcher/MatLife/ja/result/2012_05.html＊利用相談を希望される方は「利用相談窓口」へ…
メールでお問い合わせ下さい。
…
利用相談窓口：J-PARC センターユーザーズオフィス
j_proposal@ml.j-parc.jp〇 J-JOIN ウェブページ：https://jrr3ring.jaea.go.jp/jjoin/

８）スクッテルダイト

BL12 / 26頁

ノルウェーのオスロ北西部にある地名（Skutterud）で、この構造を持つ化合物 CoAs3 が発見されたことに由来する名前。化学式は、RxT4X12 (R: 金属、
T: 遷移金属、X: プニコゲン ) で表される。元素の組み合わせにより、超伝導、半導体性、価数揺動など、さまざまな特性を示すことが知られている。
抜粋：理研プレスリリース https://www.riken.jp/press/2011/20111102/index.html

９）バロカロリック効果＝圧力熱量効果

〇 MLF ウェブページ：https://mlfinfo.jp/ja/〇 J-PARC センターユーザーズオフィス…
〒319-1106 …
茨城県那珂郡東海村大字白方 162-1…
いばらき量子ビーム研究センター１階

BL14 / 28頁

熱量効果とは、例えば磁性体が磁場により強磁性体から常磁性体へ相転移したり、誘電体が電場により強誘電体から常誘電体へ相転移するなど、外的要因により材料が発熱や吸熱をする現象。圧力熱量効果とは、そうした吸熱や発熱を伴う相転移が圧力によって誘発される現象をいう。
抜粋：J-PARCプレスリリース https://j-parc.jp/c/press-release/2019/03/29000233.html

62

〈J-PARC 物質・生命科学実験施設〉
中性子実験装置

ミュオン実験装置

第１実験ホール

第２実験ホール
発行：
登録施設利用促進機関
一般財団法人総合科学研究機構

2023年8月

J-PARC
中性子科学センター〒319-1106 茨城県那珂郡東海村白方162-1
いばらき量子ビーム研究センター内
Tel． 029-219-5300（代表）
URL https://neutron.cross.or.jp/ja/

写真提供：KEK  IMSS