5-3 幅広いエネルギー領域で高スピン偏極したパルス中性子ビームを実現する

ー偏極ヘリウム3を用いた高性能中性子スピンフィルターの開発と応用ー

中性子は電荷を持たない、透過性が高い、軽元素とも反応しやすいなどの他に、スピンを持つという重要な特徴を持っています。中性子ビームのスピンを揃える(偏極する)ことにより、磁気構造解析、物質中の水素の位置決定、磁場イメージングなど、中性子ビームの応用範囲が飛躍的に広がります。J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)に代表されるパルス中性子源は原子炉中性子源とは異なり、1 meV〜1 keV程度の幅広いエネルギーの中性子を使用できるという特徴を持ちます。現在、広く使われている中性子偏極デバイスである磁気スーパーミラーは数十meV以下のエネルギーの中性子しか偏極できません。

より幅広いエネルギーの中性子を偏極するために、私たちは核スピン偏極³Heガスをガラスセルに封入した中性子偏極デバイスである³Heスピンフィルターを開発しました(図5-5)。³Heスピンフィルターは³Heガスの量を調節することにより、1 meV〜10 eV程度までの幅広いエネルギーの中性子を偏極することができ、また、広い立体角を持つという特徴から、試料により散乱された中性子のスピンを解析することも可能です。このデバイスでは³Heガスを如何に高い偏極率で偏極できるか、そして³Heガスの偏極を如何に中性子ビームライン上で保つかが開発の鍵となります。ガラスセル内部に不純物が存在すると³Heの偏極度を低下させてしまうので、非常に清純な環境下でガラスセルに³Heガスを封入する真空システムを構築しました。また、³Heガスを偏極させるために約100 Wのレーザー照射システムを新たに構築し、³He核スピン偏極度85%という世界最高水準の中性子偏極性能を持った³Heスピンフィルターの開発に成功しました。一方、³Heの核偏極はレーザー照射をやめると、ガラスセル内部の不純物の影響や、周囲の不均一磁場により徐々に偏極度が低下していきます。そこで、ガラス内部の不純物を可能な限り取り除くガス封入プロセスの考案、ビームライン上における均一な磁場環境の開発など、ビームライン上で性能良く³Heスピンフィルターを使用するための開発を行いました。

この³HeスピンフィルターをビームラインBL04、BL06、BL10、BL15、BL21に導入し、中性子ビームを用いた実験を行いました。中性子核反応測定装置「ANNRI」(BL04)では1 eV程度のエネルギーの中性子を偏極することに成功し、¹³⁹La原子核の偏極中性子吸収に伴うγ線に角度分布が存在することを世界で初めて発見しました。また、中性子小角・広角散乱装置「大観」(BL15)では物質中の水素の位置決定には、パルス中性子小角散乱装置と³Heスピンフィルターを組み合わせた、中性子偏極解析法が非常に有用であることを示しました(図5-6)。この他にも磁気構造解析や、基礎物理実験などで³Heスピンフィルターを用いた実験が数多く行われており、今後様々な科学的成果が得られることが期待されます。

(奥平 琢也)

＜前へ：5-2｜次へ：5-4＞