中性子偏極装置
【課題】 これまでにない極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる中性子偏極装置を提供する。
【解決手段】 この出願の発明による中性子偏極装置（１）は、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るものであり、中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石（２）と、四極磁石（２）の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材（３）と、四極磁石（２）の出口に配置され、四極磁石（２）による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイル（４）を備えることを特徴とする。
【解決手段】 この出願の発明による中性子偏極装置（１）は、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るものであり、中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石（２）と、四極磁石（２）の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材（３）と、四極磁石（２）の出口に配置され、四極磁石（２）による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイル（４）を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる中性子偏極装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏極中性子は、中性子散乱研究において、非常に有用なプローブであり、磁気構造の解明、中性子スピンエコー法による緩和現象などのダイナミクスの研究、非干渉性散乱の除去において、必要不可欠である。また、偏極中性子は、中性子を用いた基礎物理の研究においても、非常に重要な役割を担っている。従来より偏極中性子を得るための方法として、磁性体結晶や磁気多層膜を用いる方法があり、さらに最近では、偏極した３Ｈｅガスなどを用いる方法があるが、新しい特徴や優れた性能を持った中性子偏極装置の開発は、中性子散乱研究技術の発展において、非常に重要な意味を持っている。
【０００３】
中性子のスピンと磁場との相互作用を利用して偏極中性子が得られるとの概念は、中性子散乱研究者であれば、比較的容易に想像できるものであるが、実際には、中性子のスピンと磁場との相互作用エネルギーが非常に小さいことから、現実の磁石を用いて、実用的な性能を持った中性子偏極装置を製造することは困難であると考えられてきた。また、このような中性子偏極装置を製造しようとしても、装置のサイズがとても巨大になるなど、実用的になるとは思われないとされてきた。
【０００４】
以上のような理由により、これまで、中性子のスピンと磁場との相互作用を利用して偏極中性子を得る装置開発の取り組みが行われていなかったのが実情である。
【０００５】
一方で、この出願の発明者らは、六極磁石を用いた集光型小角散乱装置（Ｆ−ＳＡＮＳ）の開発研究を進めており、その研究の結果を特許文献１において報告している。この特許文献１に記載されているような六極磁石は、中性子に対して理想的なレンズとしての機能を持っている。中性子が正極性の場合は、六極磁石は集光レンズ（以下、中性子ビームの集光に用いる六極磁石を中性子磁気レンズとも称する。）とし、負極性の場合は発散レンズとして機能する。中性子磁気レンズを用いて中性子を集光する場合、物質による中性子の吸収や散乱を全く受けることがないため、非常に精度良く集光した中性子ビームを得ることができる。よって、中性子磁気レンズは、集光型小角散乱装置に用いる中性子集光素子として、非常に適していると考えられる。しかし、入射中性子に負極性成分が含まれていると、その成分は六極磁石により発散され検出器面上に広がり、バックグランドレベルを上げてしまう。そこで、集光型小角散乱装置の中性子集光素子として六極磁石を用いる場合、入射中性子は、非常に高い偏極度（偏極度Ｐが０．９９以上程度）で偏極されている必要がある。
【０００６】
冷中性子に対しては磁気ミラー型偏極素子を用いることにより、およそ０．９９程度の偏極度Ｐが得られる場合があるが、それ以上の高い偏極度を得ることは、困難であった。
【特許文献１】特開平１０−２４７５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この出願の発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、これまでにない極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる中性子偏極装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この出願の発明によれば、上記課題を解決するために、第１には、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るための中性子偏極装置であって、中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石と、四極磁石の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材と、四極磁石の出口に配置され、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイルを備えることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【０００９】
また、第２には、上記第１の発明において、四極磁石が４ピース型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１０】
また、第３には、上記第１の発明において、四極磁石がハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１１】
また、第４には、上記第１の発明において、四極磁石が発展型ハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１２】
さらに、第５には、上記第１から第４のいずれかの発明において、中性子吸収材がＣｄよりなることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この出願の発明によれば、上記構成を採用したことにより、これまでにない極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる優れた中性子偏極装置の提供が可能となる。
【００１４】
また、この出願の発明によれば、上記の優れた効果に加え、高透過率（極めて高い透過率で、吸収、散乱がなく、極めて高い効率）、線形インストール可（ビーム軸の制御も可能）で、メンテナンスフリー、高安定性、しかもコンパクト（磁場を用いた偏極素子としてはコンパクトという意味で、デザインとしては最適であると考えられる。）な中性子偏極装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１６】
まず、中性子の性質について着目すると、中性子は、陽子と共に原子核を構成する粒子であり、電気的には中性であるが、磁気モーメントを持っており、微小な磁石ということができる。また、中性子は、電気的には中性であり、磁気モーメントはあるがとても小さいため（電子の約１／１０００）、磁場を用いて中性子線を制御することは容易ではない。さらに、中性子は、スピン１／２の角運動量を持っており、その磁気モーメントは磁場ベクトルに対して、平行および反平行の２つの方向を取りうる。
【００１７】
この出願の発明者らは、中性子の上記性質に着目し、中性子の磁気モーメントと磁場との相互作用を利用することにより、高い偏極度の中性子ビームが得られる可能について鋭意検討を重ねてきた。磁場強度に勾配が生じている空間内に中性子が入射すると、その極性により、それぞれ逆向きの力が中性子に生じる。よって、この現象を利用して、空間的に完全に中性子の二つの極性成分を分離し、その一成分を取り出せば、原理的には、偏極度Ｐ＝１の中性子が得られることになる。この手法を実現させるためには、如何に広い空間に強い磁場強度勾配を形成できるかにかかっている。そこで、広い空間に強い磁場強度勾配を発生させるために、四極磁石の使用を検討した。その結果、四極磁石を用いると、広い空間に効率よく大きな磁場強度勾配を発生させることができ、中性子を非常に高い偏極度Ｐでスピンを偏極できることを確認し、この出願の発明を完成するに至った。
【００１８】
上記のように、この出願の発明の中性子偏極装置は、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るものであり、四極磁石を用いる。また、四極磁石の内側には、筒状の中性子吸収材を設ける。さらに、四極磁石の出口には、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加するソレノイドコイルを配置する。すなわち、四極磁石内では、磁場ベクトルは、中性子ビーム軸に対して垂直な平面内で且つ様々な方向に分布している。中性子は局所位置の磁場に対して偏極しているため、中性子のスピンも様々な方向に分布している。よって、様々な方向に分布している中性子スピンの方向を空間的に揃えて、偏極中性子ビームとして取り出すために、四極磁石出口にソレノイドコイルを設置し、中性子ビーム軸と平行な二極磁場を印加する。
【００１９】
四極磁石としては、通常の４ピース型四極磁石を用いることができるが、ハルバッハ型四極磁石や発展型ハルバッハ型四極磁石を用いると、発生磁揚強度が通常の４ピース型四極磁石と比較して数倍に増強されるので、比較的コンパクトなボリュームで、高い偏極度Ｐの偏極中性子を得るために非常に有効である。
【００２０】
図１にこの出願の発明による、四極磁石を用いた中性子偏極装置の構造を模式的に縦断面図で示す。図中（１）が中性子偏極装置であり、四極磁石（２）の内部に中性子吸収材よりなる筒状体（３）が配置され、四極磁石（２）の出口にソレノイドコイル（４）が配置されている。（５）は中性子の通路である。
【００２１】
また、図２にこの出願の発明の中性子偏極装置において用いられる四極磁石の構造を模式的に横断面図で示す。
【００２２】
ここで、この出願の発明の基本となる原理について述べる。
【００２３】
磁場中での中性子の運動は，以下の２式で記述される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
ここで、ｒは中性子の座標ベクトル、σは中性子スピンと平行な単位ベクトル、α＝｜μｎ／ｍｎ｜＝５．７７ｍ２ｓ−２Ｔ−１、γｎ（＝２μｎ／ｈ＝−１．８３×１０８ｓ−１Ｔ−１；ｈはディラクｈ）は磁気回転比である。式（１）、（２）より、中性子は磁場中でそのスピンと磁場ベクトルの内積の勾配に沿って加速され、また、中性子のスピンはラーモア周波数ωＬ＝−γｎ｜Ｂ｜（Ｂは磁場ベクトル）で歳差運動することが分かる。中性子が不均一磁場中を飛行するとき、中性子位置での磁場ベクトルが変化する。その磁場ベクトルの回転角周波数をωＢ＝｜∂Ｂ／∂ｓ｜ｄｓ／ｄｔと定義する。ここでｓは中性子の軌道に沿って採った座標ベクトルであり、Ｂは磁場の単位ベクトルである。磁場の強度が十分強く、ωＬ／ωＢ≫１の関係が成立するとき，中性子のスピン状態はほぼ保存され、中性子は断熱的に輸送される。この場合、磁場中での中性子の運動方程式は、次式のように簡単に記述できる。
【００２６】
【数３】
ここで，負号“−”は中性子スピンが正極性（中性子スピンと磁場ベクトルが平行）の状態に，正号“＋”は負極性（中性子スピンと磁場ベクトルが反平行）の状態にそれぞれ対応する。四極磁場ベクトルＢｑは、次式で記述される。
【００２７】
【数４】
ここで、Ｇｑは磁場強度勾配定数である。四極磁場強度の分布は、
【００２８】
【数５】
と表される。式（５）を式（３）に代入すると、四極磁場中での中性子の運動方程式
【００２９】
【数６】
が得られる。式（６）は、解析的に解くことができない。ここで、簡単のために、中性子の軌道をｙ＝０に制限すると、
【００３０】
【数７】
となり、中性子の位置に依存せず、一定の大きさの力を受けることが分かる。力の方向は、中性子のスピンが正極性のときは磁石の中心軸方向に、負極性の時は磁石の中心軸と反対方向に力を受ける。
【００３１】
ここで、参考のために、六極磁場の場合について記しておく。
【００３２】
六極磁場ベクトルＢｓは，次式で記述される。
【００３３】
【数８】
ここで、Ｇｓは磁場強度勾配の大きさを表す磁場強度勾配定数である．式（８）より、六極磁場強度の分布は、
【００３４】
【数９】
と表される．式（９）を式（３）に代入すると、六極磁場中での中性子の運動方程式：
【００３５】
【数１０】
が得られる。ここで、ω２＝Ｇｓαである。式（１０）は解析的に解くことができ、その解は、以下のように与えられる。
（ｉ）正極性の場合
【００３６】
【数１１】
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
ここで、λはｚ軸に沿った中性子の波長、νｉ（０）は時刻ｔ＝０における中性子の速度のｉ（＝ｘ、ｙ、ｚ）方向成分である。もし、中性子がｚ軸と平行に六極磁場中に入射した場合、中性子は、ｚ＝πｈ／（２ωｍｎλ）で焦点を結ぶことになる（図３（ａ））。
（ｉｉ）負極性の場合
【００３９】
【数１４】
【００４０】
【数１５】
【００４１】
【数１６】
六極磁場内に入射した中性子ビームは、磁場の中心軸から遠ざかる方向に加速され、発散される（図３（ｂ））。
【００４２】
ここで、四極磁場中に入射した中性子ビームの強度分布がどのように変化するかを理解するために、式（６）を用いて計算した中性子ビームの強度分布の時間変化を図４（ａ）に示す。また、比較のために、六極磁場の場合についても同様な関係を図４（ｂ）に示す。ここで、入射ビームのサイズは、２ｍｍ×２ｍｍ、ビーム軸に対して垂直方向の最大速度成分は０．８ｍ／ｓで、磁場の中心軸上に入射した。また、四極磁場及び六極磁場の磁場強度勾配定数は、共に磁石の内径が５ｍｍφとした場合に、最大磁場強度が２Ｔになるように決定した。四極磁場についてはＧｑ＝４００Ｔ／ｍ、六極磁場についてはＧｓ＝６４００００Ｔ２／ｍである。図４より、四極磁場の場合は、ｔ＝１ｍｓｅｃ経過した時点で、正と負の極性成分が空間的に完全に分離されていることが分かる。一方、六極磁場の場合は、時間と共に負極性成分は広がっていくが、正、負の両極成分は、完全に分離することはない。よって、六極磁場と比較して、磁石内部に一様な磁場強度勾配を発生する四極磁場は、スピン偏極素子としての利用に適していることが理解できる。
【００４３】
以下、実施例によりこの出願の発明ついてさらに詳しく説明する。もちろん、この出願の発明は上記の実施形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【実施例】
【００４４】
図５にこの出願の発明による実施例の中性子偏極装置を用いた実験装置の構成を模式的に断面図で示す。
【００４５】
図５において、（１１）は中性子偏極装置であり、ハルバッハ型四極磁石（１２）（以下、単に四極磁石（１２）ともいう）を備えている。ハルバッハ型四極磁石（１２）は軸方向の長さが約６００ｍｍであり、その内部にはＣｄよりなる筒状の中性子吸収材（以下、Ｃｄ筒ともいう）（１３）が配置され、中性子の通路となる中空部分は直径が５ｍｍφとなるように軸方向に延びている。中性子吸収材（１３）は四極磁石（１２）内表面での中性子の反射を防ぐためのもので、厚さ０．５ｍｍｔのＣｄ板を螺旋状に巻いて形成されている。四極磁石（１２）の下流側端部には磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）が配置され、二極磁場を印加できるようになっている。四極磁石（１２）の上流側にはφ５スリット（１５）とφ２スリット（１６）が配置されている。
【００４６】
ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）の下流側にはガイド磁場を印加するためのガイド磁場コイル（１７）が配置され、その出口には、スピンフリッパー（１８）が配置され、さらにその下流側にφ２スリット（１９）、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）が配置されている。この超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）は中性子偏極装置（１１）により偏極された中性子ビームの偏極度Ｐを評価するためのものであり、磁場接続用ソレノイドコイル（２１−１）、（２１−２）と中央ソレノイドコイル（２１−３）を備えている。そして超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の下流側には位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）が配置されている。
【００４７】
用いた単色中性子の波長はλ＝９．５Åである。５φスリット（１５）、２φスリット（１６）で絞った中性子ビームを中性子偏極装置（１１）の四極磁石（１２）の中心軸上に入射させた。また、中性子が四極磁石（１２）を通過して外に出てくる部分で、四極磁場から二極磁場へ断熱的に磁場を接続させるために、ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）で、二極磁場を印加した。中性子偏極装置（１１）を通過した中性子は、ガイド磁場コイル（１７）内を通過して、さらにスピンフリッパー（１８）を通過した後、φ２スリット（１９）を介して超伝導六極磁石（ＳＳＭ）に入射させた。そして、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により、中性子偏極装置（１１）を通過して出てきた中性子ビームの偏極度Ｐを評価した。
【００４８】
中性子が超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の六極磁場中に入射すると、正極性のスピン成分は六極磁場の中心軸に向かって加速され、負極性成分は、中心軸から遠ざかる方向に加速される。よって、コリメートされた中性子ビームがＯｆｆ−Ａｘｉｓで六極磁場中に入射すると、中性子ビームは空間的に２つに分離する。その分離した中性子の割合から、その中性子ビームの偏極度Ｐを求めることができる。そこで、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の直上流にφ２スリット（１９）を超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の中心軸からｘ方向に−５ｍｍ、ｙ方向に−３ｍｍオフセットして設置してある。これにより、コリメートされた中性子ビームがＯｆｆ−Ａｘｉｓで超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）に入射することが可能となる。超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）を通過した中性子ビームは、受光面に中性子シンチレータＺｎＳを貼り付けた位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）により、その強度の空間分布を測定した。
【００４９】
なお、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の中央ソレノイドコイル（２１−３）の印加電流はＩＳＳＭ＝２４０Ａ、磁場接続用ソレノイドコイル（２１−１）、（２１−２）の印加電流はＩＳＯＬ０＝８０Ａとした。
【００５０】
図５の構成の実験装置を用い、以下の条件で超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）下流の中性子強度分布を測定した。
・条件１：磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）への印加電流ＩＳｃ０＝０Ａ、スピンフリッパー（１８）オフ
・条件２：ＩＳｃ０＝４０Ａ、スピンフリッパー（１８）オフ
・条件３：ＩＳｃ０＝４０Ａ、スピンフリッパー（１８）オン
各条件について得られた中性子二次元強度分布を図６に示す。図を見易くするために、各条件について、カラースケール（Color scale）をリニア（Linear）と対数（Log）の両方のスケールで描画した。
【００５１】
条件１の結果については、領域Ａ（Region-A）と領域Ｂ（Region-B）の領域にそれぞれ中性子強度のスポットが観られた。領域Ａにあるスポットは、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により集光された中性子の正極性成分によるもので、領域Ｂにあるスポットは、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により発散された中性子の負極性成分によるものと考えられる。対数スケールの図において、領域Ａにある小さなスポットの位置でクロスするストリーク（すじ）が見られるが、これは検出器（２２）の信号処理回路のバグによるもので、真の信号ではない。
【００５２】
次に、条件２の結果については、中性子強度の二次元強度分布を見る限り、領域Ａにはスポットが観られたが、領域Ｂにはスポットらしきものは観られなかった。また、条件３の結果については、条件２の結果とは逆に、領域Ｂにスポットが観られたが、領域Ａにはスポットらしきものは観られなかった。以上の実験結果は、次のように解釈できる。
１）条件２及び条件３では、中性子偏極装置（１１）の四極磁石（１２）を通過した後、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）に入射した中性子はほぼ１００％偏極している。また、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の直上流に設置されているスピンフリッパー（１８）のスピン反転効率もほぼ１００％であり、スピンフリッパー（１８）のオン・オフにより、スポットが現れる領域が領域Ａと領域Ｂで入れ替わっている。
２）条件１では、磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）への印加電流がＩＳｃ０＝０Ａであるため、四極磁石出口付近で、中性子スピンが減偏極（Depolarization）している。
【００５３】
次に、四極磁石内表面での中性子の反射を防ぐために、四極磁石内部に挿入したＣｄ筒を取り除いて、条件２及び３と同条件の実験を行った。その結果を図７に示す。
【００５４】
図７を見ると、図６では見られなかったもう一方の領域のスポットが現れていることがわかる。これは、Ｃｄ筒状体（１３）がない場合、四極磁石（１２）で発散された負極性スピン成分が四極磁石（１２）内表面で反射し、正極性成分と同じビームパスに混じり込んできているものと考えられる（四極磁石（１２）の内表面を理想的な円筒面と仮定し、内表面に当たった中性子は１００％反射すると仮定してシミュレーションを行うと、正極性成分と同じビームパスに負極性成分が混じり込んでくるという結果が得られている）。
【００５５】
次に、各条件について、中性子ビームの偏極度Ｐを定量的に評価した。領域Ａ及び領域Ｂの中性子強度の積分値からバックグラウンドを差し引いた中性子強度をそれぞれ、Ｉ＋及びＩ−とした。ここで、バックグラウンドの値は、ビームシャッター閉の状態で測定したデータから求めた。次に次式を用いて、偏極度Ｐを評価した。
【００５６】
【数１７】
各条件について得られた偏極度を表１に示す。
【００５７】
【表１】
表１より、Ｃｄ筒ありの条件２及び条件３のとき、非常に高いスピン偏極度Ｐが得られていることが分かった。また。Ｃｄ筒ありの条件２のとき、統計エラーを考慮しても偏極度Ｐが１を超える値が得られている。これは、バックグラウンドデータを測定したときと偏極度データを測定した時で、バックグラウンドレベルが異なっていたために起こったものと考えられる。今回の実験では、ビームの偏極度Ｐが非常に高かったために、普段は気にならないわずかなバックグラウンドレベルのゆらぎが効いてきたと考えられる。
【００５８】
そこで、次に短時間の偏極度測定とバックグラウンド測定を交互に繰り返し行い、系統的なエラーを考慮した実験を行った。実験装置は、図５に示したものと同じであるが、この実験より、図６に見られたストリークの原因となっていた検出器信号処理回路のバグを修復したものを用いた。１測定の測定時間は６００ｓｅｃとし、次の
・条件１：スピンフリッパー（１８）オフ
・条件２：スピンフリッパー（１８）オン
・条件３：ＢＧ（ビームシャッター閉）
の３条件の測定を１セットとして、これを４３セット繰り返し測定した。同条件で測定した中性子強度分布データを足し込んだものを、図８に示す。ここで、前と同様に式（１）を用いて、中性子ビームの偏極度Ｐを評価した。得られた偏極度を表２に示す。今回、偏極度が１より大きくなってしまうようなことはなく、リーズナブルな値が得られた。
【００５９】
【表２】
次に、ハルバッハ型四極磁石を中性子偏極素子として用いて、集光型小角散乱実験の実験装置で、超伝導六極磁石の中性子集光特性を評価した。実験装置の構成を模式的に図９に示す。図９において、図５と同様な要素には同様な符号を付してある。図９中、（２３）は真空チャンバーであり、（２４）はＳｉウィンドウ、（２５）はＡｌウィンドウである。
【００６０】
スピンフリッパー（１８）のオン及びオフの条件で、位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）を用いて測定した。測定時間は共に４８００ｓｅｃである。得られた中性子強度の二次元強度分布を図１０に示す。また、各条件の動径平均値を図１１に示す。図１０及び図１１より、この実験の中性子ビームの偏極度Ｐは、これまでになく非常に高い値が得られていることがわかる。また、図１１より、スピンフリッパー（１８）オフの時、負極性成分の混入が良く抑えられているために、中性子強度分布のピーク値とバックグラウンドレベルの強度比は１０６程度にまで達していることが分かる。また、スピンフリッパー（１８）オフのとき、図１０（ｂ）及び図１１より、僅かの中性子が中心に集まっている様子がわかる。これは、中性子ビームの偏極度Ｐが完全に１でないために、僅かに含まれている逆極性の中性子が超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により集光されたものと考えられる。このピーク値（図１１のＡ）より、逆極性成分の量を見積もると全中性子の約０．２６％であった。この値を用いて中性子ビームの偏極度を見積もると、Ｐ＝０．９９５であった。
【００６１】
次に、この実験装置を用いて試験的に、単分散性の良い平均粒径５００ｎｍのＳｉＯ２粒子の小角散乱測定を行った。測定結果を図１２に示す。粒子形状を反映した振動パターンが明瞭にみられた。そこで、粒子からの散乱強度を以下の式を用いてフィッティングした。
【００６２】
【数１８】
【００６３】
【数１９】
【００６４】
【数２０】
【００６５】
【数２１】
【００６６】
【数２２】
【００６７】
【数２３】
フィッティングの結果得られたパラメータを表３に示す。また、フィッティング結果を図１２（ｂ）に実線で示す。実験結果を、フィッティング関数で非常に良く表現することができた。
【００６８】
【表３】
上記のように、この出願の発明の実施例によれば、偏極度Ｐ＞０．９９の非常に高い値が得られた。このような高偏極度は、磁気ミラーを用いて達成することは困難である。さらに、四極磁石を用いる場合、中性子の吸収は全くなく透過率１００％であり、これも特筆すべき点である。高偏極性能と高透過性能を持った四極磁石は、特に磁気レンズを用いた集光型小角散乱装置の偏極素子として最適な素子と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この出願の発明による、四極磁石を用いた中性子偏極装置の構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】この出願の発明による中性子偏極装置において用いられる四極磁石の構造を模式的に示す横断面図である。
【図３】中性子が六極磁場に入射したときの様子を示す図である。
【図４】四極磁場中と六極磁場中に入射した中性子ビームの強度分布の時間変化を示す図である。
【図５】この出願の発明による実施例の中性子偏極装置を用いた実験装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図５の実験装置を用い、各条件について得られた中性子二次元強度分布を示す図である。
【図７】四極磁石内部に挿入したＣｄ筒を取り除いて実験を行った結果を示す図である。
【図８】短時間の偏極度測定とバックグラウンド測定を交互に繰り返し行って、系統的なエラーを考慮した実験を反映させた中性子強度分布データを示す図である。
【図９】ハルバッハ型四極磁石を中性子偏極素子として用いた集光型小角散乱実験の実験装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】図９の装置により得られた中性子強度の二次元分布を示す図である。
【図１１】中性子強度の動径平均値を示す図である。
【図１２】図９の実験装置を用いてＳｉＯ２粒子の小角散乱測定を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 中性子偏極装置
２ 四極磁石
３ 筒状体
４ ソレノイドコイル
５ 中性子の通路
１１ 中性子偏極装置
１２ ハルバッハ型四極磁石
１３ Ｃｄよりなる筒状体
１４ 磁場接続用ソレノイドコイル
１５、１６、１９ スリット
１７ ガイド磁場コイル
１８ スピンフリッパー
２０ 超伝導六極磁石（ＳＳＭ）
２１−１、２１−２ 磁場接続用ソレノイドコイル
２１−３ 中央ソレノイドコイル
２２ 位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）
２３ 真空チャンバー
２４ Ｓｉウィンドウ
２５ Ａｌウィンドウ
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる中性子偏極装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏極中性子は、中性子散乱研究において、非常に有用なプローブであり、磁気構造の解明、中性子スピンエコー法による緩和現象などのダイナミクスの研究、非干渉性散乱の除去において、必要不可欠である。また、偏極中性子は、中性子を用いた基礎物理の研究においても、非常に重要な役割を担っている。従来より偏極中性子を得るための方法として、磁性体結晶や磁気多層膜を用いる方法があり、さらに最近では、偏極した３Ｈｅガスなどを用いる方法があるが、新しい特徴や優れた性能を持った中性子偏極装置の開発は、中性子散乱研究技術の発展において、非常に重要な意味を持っている。
【０００３】
中性子のスピンと磁場との相互作用を利用して偏極中性子が得られるとの概念は、中性子散乱研究者であれば、比較的容易に想像できるものであるが、実際には、中性子のスピンと磁場との相互作用エネルギーが非常に小さいことから、現実の磁石を用いて、実用的な性能を持った中性子偏極装置を製造することは困難であると考えられてきた。また、このような中性子偏極装置を製造しようとしても、装置のサイズがとても巨大になるなど、実用的になるとは思われないとされてきた。
【０００４】
以上のような理由により、これまで、中性子のスピンと磁場との相互作用を利用して偏極中性子を得る装置開発の取り組みが行われていなかったのが実情である。
【０００５】
一方で、この出願の発明者らは、六極磁石を用いた集光型小角散乱装置（Ｆ−ＳＡＮＳ）の開発研究を進めており、その研究の結果を特許文献１において報告している。この特許文献１に記載されているような六極磁石は、中性子に対して理想的なレンズとしての機能を持っている。中性子が正極性の場合は、六極磁石は集光レンズ（以下、中性子ビームの集光に用いる六極磁石を中性子磁気レンズとも称する。）とし、負極性の場合は発散レンズとして機能する。中性子磁気レンズを用いて中性子を集光する場合、物質による中性子の吸収や散乱を全く受けることがないため、非常に精度良く集光した中性子ビームを得ることができる。よって、中性子磁気レンズは、集光型小角散乱装置に用いる中性子集光素子として、非常に適していると考えられる。しかし、入射中性子に負極性成分が含まれていると、その成分は六極磁石により発散され検出器面上に広がり、バックグランドレベルを上げてしまう。そこで、集光型小角散乱装置の中性子集光素子として六極磁石を用いる場合、入射中性子は、非常に高い偏極度（偏極度Ｐが０．９９以上程度）で偏極されている必要がある。
【０００６】
冷中性子に対しては磁気ミラー型偏極素子を用いることにより、およそ０．９９程度の偏極度Ｐが得られる場合があるが、それ以上の高い偏極度を得ることは、困難であった。
【特許文献１】特開平１０−２４７５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この出願の発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、これまでにない極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる中性子偏極装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この出願の発明によれば、上記課題を解決するために、第１には、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るための中性子偏極装置であって、中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石と、四極磁石の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材と、四極磁石の出口に配置され、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイルを備えることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【０００９】
また、第２には、上記第１の発明において、四極磁石が４ピース型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１０】
また、第３には、上記第１の発明において、四極磁石がハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１１】
また、第４には、上記第１の発明において、四極磁石が発展型ハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【００１２】
さらに、第５には、上記第１から第４のいずれかの発明において、中性子吸収材がＣｄよりなることを特徴とする中性子偏極装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この出願の発明によれば、上記構成を採用したことにより、これまでにない極めて高い偏極度に中性子を偏極することができる優れた中性子偏極装置の提供が可能となる。
【００１４】
また、この出願の発明によれば、上記の優れた効果に加え、高透過率（極めて高い透過率で、吸収、散乱がなく、極めて高い効率）、線形インストール可（ビーム軸の制御も可能）で、メンテナンスフリー、高安定性、しかもコンパクト（磁場を用いた偏極素子としてはコンパクトという意味で、デザインとしては最適であると考えられる。）な中性子偏極装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１６】
まず、中性子の性質について着目すると、中性子は、陽子と共に原子核を構成する粒子であり、電気的には中性であるが、磁気モーメントを持っており、微小な磁石ということができる。また、中性子は、電気的には中性であり、磁気モーメントはあるがとても小さいため（電子の約１／１０００）、磁場を用いて中性子線を制御することは容易ではない。さらに、中性子は、スピン１／２の角運動量を持っており、その磁気モーメントは磁場ベクトルに対して、平行および反平行の２つの方向を取りうる。
【００１７】
この出願の発明者らは、中性子の上記性質に着目し、中性子の磁気モーメントと磁場との相互作用を利用することにより、高い偏極度の中性子ビームが得られる可能について鋭意検討を重ねてきた。磁場強度に勾配が生じている空間内に中性子が入射すると、その極性により、それぞれ逆向きの力が中性子に生じる。よって、この現象を利用して、空間的に完全に中性子の二つの極性成分を分離し、その一成分を取り出せば、原理的には、偏極度Ｐ＝１の中性子が得られることになる。この手法を実現させるためには、如何に広い空間に強い磁場強度勾配を形成できるかにかかっている。そこで、広い空間に強い磁場強度勾配を発生させるために、四極磁石の使用を検討した。その結果、四極磁石を用いると、広い空間に効率よく大きな磁場強度勾配を発生させることができ、中性子を非常に高い偏極度Ｐでスピンを偏極できることを確認し、この出願の発明を完成するに至った。
【００１８】
上記のように、この出願の発明の中性子偏極装置は、中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るものであり、四極磁石を用いる。また、四極磁石の内側には、筒状の中性子吸収材を設ける。さらに、四極磁石の出口には、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加するソレノイドコイルを配置する。すなわち、四極磁石内では、磁場ベクトルは、中性子ビーム軸に対して垂直な平面内で且つ様々な方向に分布している。中性子は局所位置の磁場に対して偏極しているため、中性子のスピンも様々な方向に分布している。よって、様々な方向に分布している中性子スピンの方向を空間的に揃えて、偏極中性子ビームとして取り出すために、四極磁石出口にソレノイドコイルを設置し、中性子ビーム軸と平行な二極磁場を印加する。
【００１９】
四極磁石としては、通常の４ピース型四極磁石を用いることができるが、ハルバッハ型四極磁石や発展型ハルバッハ型四極磁石を用いると、発生磁揚強度が通常の４ピース型四極磁石と比較して数倍に増強されるので、比較的コンパクトなボリュームで、高い偏極度Ｐの偏極中性子を得るために非常に有効である。
【００２０】
図１にこの出願の発明による、四極磁石を用いた中性子偏極装置の構造を模式的に縦断面図で示す。図中（１）が中性子偏極装置であり、四極磁石（２）の内部に中性子吸収材よりなる筒状体（３）が配置され、四極磁石（２）の出口にソレノイドコイル（４）が配置されている。（５）は中性子の通路である。
【００２１】
また、図２にこの出願の発明の中性子偏極装置において用いられる四極磁石の構造を模式的に横断面図で示す。
【００２２】
ここで、この出願の発明の基本となる原理について述べる。
【００２３】
磁場中での中性子の運動は，以下の２式で記述される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
ここで、ｒは中性子の座標ベクトル、σは中性子スピンと平行な単位ベクトル、α＝｜μｎ／ｍｎ｜＝５．７７ｍ２ｓ−２Ｔ−１、γｎ（＝２μｎ／ｈ＝−１．８３×１０８ｓ−１Ｔ−１；ｈはディラクｈ）は磁気回転比である。式（１）、（２）より、中性子は磁場中でそのスピンと磁場ベクトルの内積の勾配に沿って加速され、また、中性子のスピンはラーモア周波数ωＬ＝−γｎ｜Ｂ｜（Ｂは磁場ベクトル）で歳差運動することが分かる。中性子が不均一磁場中を飛行するとき、中性子位置での磁場ベクトルが変化する。その磁場ベクトルの回転角周波数をωＢ＝｜∂Ｂ／∂ｓ｜ｄｓ／ｄｔと定義する。ここでｓは中性子の軌道に沿って採った座標ベクトルであり、Ｂは磁場の単位ベクトルである。磁場の強度が十分強く、ωＬ／ωＢ≫１の関係が成立するとき，中性子のスピン状態はほぼ保存され、中性子は断熱的に輸送される。この場合、磁場中での中性子の運動方程式は、次式のように簡単に記述できる。
【００２６】
【数３】
ここで，負号“−”は中性子スピンが正極性（中性子スピンと磁場ベクトルが平行）の状態に，正号“＋”は負極性（中性子スピンと磁場ベクトルが反平行）の状態にそれぞれ対応する。四極磁場ベクトルＢｑは、次式で記述される。
【００２７】
【数４】
ここで、Ｇｑは磁場強度勾配定数である。四極磁場強度の分布は、
【００２８】
【数５】
と表される。式（５）を式（３）に代入すると、四極磁場中での中性子の運動方程式
【００２９】
【数６】
が得られる。式（６）は、解析的に解くことができない。ここで、簡単のために、中性子の軌道をｙ＝０に制限すると、
【００３０】
【数７】
となり、中性子の位置に依存せず、一定の大きさの力を受けることが分かる。力の方向は、中性子のスピンが正極性のときは磁石の中心軸方向に、負極性の時は磁石の中心軸と反対方向に力を受ける。
【００３１】
ここで、参考のために、六極磁場の場合について記しておく。
【００３２】
六極磁場ベクトルＢｓは，次式で記述される。
【００３３】
【数８】
ここで、Ｇｓは磁場強度勾配の大きさを表す磁場強度勾配定数である．式（８）より、六極磁場強度の分布は、
【００３４】
【数９】
と表される．式（９）を式（３）に代入すると、六極磁場中での中性子の運動方程式：
【００３５】
【数１０】
が得られる。ここで、ω２＝Ｇｓαである。式（１０）は解析的に解くことができ、その解は、以下のように与えられる。
（ｉ）正極性の場合
【００３６】
【数１１】
【００３７】
【数１２】
【００３８】
【数１３】
ここで、λはｚ軸に沿った中性子の波長、νｉ（０）は時刻ｔ＝０における中性子の速度のｉ（＝ｘ、ｙ、ｚ）方向成分である。もし、中性子がｚ軸と平行に六極磁場中に入射した場合、中性子は、ｚ＝πｈ／（２ωｍｎλ）で焦点を結ぶことになる（図３（ａ））。
（ｉｉ）負極性の場合
【００３９】
【数１４】
【００４０】
【数１５】
【００４１】
【数１６】
六極磁場内に入射した中性子ビームは、磁場の中心軸から遠ざかる方向に加速され、発散される（図３（ｂ））。
【００４２】
ここで、四極磁場中に入射した中性子ビームの強度分布がどのように変化するかを理解するために、式（６）を用いて計算した中性子ビームの強度分布の時間変化を図４（ａ）に示す。また、比較のために、六極磁場の場合についても同様な関係を図４（ｂ）に示す。ここで、入射ビームのサイズは、２ｍｍ×２ｍｍ、ビーム軸に対して垂直方向の最大速度成分は０．８ｍ／ｓで、磁場の中心軸上に入射した。また、四極磁場及び六極磁場の磁場強度勾配定数は、共に磁石の内径が５ｍｍφとした場合に、最大磁場強度が２Ｔになるように決定した。四極磁場についてはＧｑ＝４００Ｔ／ｍ、六極磁場についてはＧｓ＝６４００００Ｔ２／ｍである。図４より、四極磁場の場合は、ｔ＝１ｍｓｅｃ経過した時点で、正と負の極性成分が空間的に完全に分離されていることが分かる。一方、六極磁場の場合は、時間と共に負極性成分は広がっていくが、正、負の両極成分は、完全に分離することはない。よって、六極磁場と比較して、磁石内部に一様な磁場強度勾配を発生する四極磁場は、スピン偏極素子としての利用に適していることが理解できる。
【００４３】
以下、実施例によりこの出願の発明ついてさらに詳しく説明する。もちろん、この出願の発明は上記の実施形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【実施例】
【００４４】
図５にこの出願の発明による実施例の中性子偏極装置を用いた実験装置の構成を模式的に断面図で示す。
【００４５】
図５において、（１１）は中性子偏極装置であり、ハルバッハ型四極磁石（１２）（以下、単に四極磁石（１２）ともいう）を備えている。ハルバッハ型四極磁石（１２）は軸方向の長さが約６００ｍｍであり、その内部にはＣｄよりなる筒状の中性子吸収材（以下、Ｃｄ筒ともいう）（１３）が配置され、中性子の通路となる中空部分は直径が５ｍｍφとなるように軸方向に延びている。中性子吸収材（１３）は四極磁石（１２）内表面での中性子の反射を防ぐためのもので、厚さ０．５ｍｍｔのＣｄ板を螺旋状に巻いて形成されている。四極磁石（１２）の下流側端部には磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）が配置され、二極磁場を印加できるようになっている。四極磁石（１２）の上流側にはφ５スリット（１５）とφ２スリット（１６）が配置されている。
【００４６】
ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）の下流側にはガイド磁場を印加するためのガイド磁場コイル（１７）が配置され、その出口には、スピンフリッパー（１８）が配置され、さらにその下流側にφ２スリット（１９）、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）が配置されている。この超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）は中性子偏極装置（１１）により偏極された中性子ビームの偏極度Ｐを評価するためのものであり、磁場接続用ソレノイドコイル（２１−１）、（２１−２）と中央ソレノイドコイル（２１−３）を備えている。そして超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の下流側には位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）が配置されている。
【００４７】
用いた単色中性子の波長はλ＝９．５Åである。５φスリット（１５）、２φスリット（１６）で絞った中性子ビームを中性子偏極装置（１１）の四極磁石（１２）の中心軸上に入射させた。また、中性子が四極磁石（１２）を通過して外に出てくる部分で、四極磁場から二極磁場へ断熱的に磁場を接続させるために、ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）で、二極磁場を印加した。中性子偏極装置（１１）を通過した中性子は、ガイド磁場コイル（１７）内を通過して、さらにスピンフリッパー（１８）を通過した後、φ２スリット（１９）を介して超伝導六極磁石（ＳＳＭ）に入射させた。そして、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により、中性子偏極装置（１１）を通過して出てきた中性子ビームの偏極度Ｐを評価した。
【００４８】
中性子が超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の六極磁場中に入射すると、正極性のスピン成分は六極磁場の中心軸に向かって加速され、負極性成分は、中心軸から遠ざかる方向に加速される。よって、コリメートされた中性子ビームがＯｆｆ−Ａｘｉｓで六極磁場中に入射すると、中性子ビームは空間的に２つに分離する。その分離した中性子の割合から、その中性子ビームの偏極度Ｐを求めることができる。そこで、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の直上流にφ２スリット（１９）を超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の中心軸からｘ方向に−５ｍｍ、ｙ方向に−３ｍｍオフセットして設置してある。これにより、コリメートされた中性子ビームがＯｆｆ−Ａｘｉｓで超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）に入射することが可能となる。超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）を通過した中性子ビームは、受光面に中性子シンチレータＺｎＳを貼り付けた位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）により、その強度の空間分布を測定した。
【００４９】
なお、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の中央ソレノイドコイル（２１−３）の印加電流はＩＳＳＭ＝２４０Ａ、磁場接続用ソレノイドコイル（２１−１）、（２１−２）の印加電流はＩＳＯＬ０＝８０Ａとした。
【００５０】
図５の構成の実験装置を用い、以下の条件で超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）下流の中性子強度分布を測定した。
・条件１：磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）への印加電流ＩＳｃ０＝０Ａ、スピンフリッパー（１８）オフ
・条件２：ＩＳｃ０＝４０Ａ、スピンフリッパー（１８）オフ
・条件３：ＩＳｃ０＝４０Ａ、スピンフリッパー（１８）オン
各条件について得られた中性子二次元強度分布を図６に示す。図を見易くするために、各条件について、カラースケール（Color scale）をリニア（Linear）と対数（Log）の両方のスケールで描画した。
【００５１】
条件１の結果については、領域Ａ（Region-A）と領域Ｂ（Region-B）の領域にそれぞれ中性子強度のスポットが観られた。領域Ａにあるスポットは、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により集光された中性子の正極性成分によるもので、領域Ｂにあるスポットは、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により発散された中性子の負極性成分によるものと考えられる。対数スケールの図において、領域Ａにある小さなスポットの位置でクロスするストリーク（すじ）が見られるが、これは検出器（２２）の信号処理回路のバグによるもので、真の信号ではない。
【００５２】
次に、条件２の結果については、中性子強度の二次元強度分布を見る限り、領域Ａにはスポットが観られたが、領域Ｂにはスポットらしきものは観られなかった。また、条件３の結果については、条件２の結果とは逆に、領域Ｂにスポットが観られたが、領域Ａにはスポットらしきものは観られなかった。以上の実験結果は、次のように解釈できる。
１）条件２及び条件３では、中性子偏極装置（１１）の四極磁石（１２）を通過した後、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）に入射した中性子はほぼ１００％偏極している。また、超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）の直上流に設置されているスピンフリッパー（１８）のスピン反転効率もほぼ１００％であり、スピンフリッパー（１８）のオン・オフにより、スポットが現れる領域が領域Ａと領域Ｂで入れ替わっている。
２）条件１では、磁場接続用ソレノイドコイル（Ｓｃ０）（１４）への印加電流がＩＳｃ０＝０Ａであるため、四極磁石出口付近で、中性子スピンが減偏極（Depolarization）している。
【００５３】
次に、四極磁石内表面での中性子の反射を防ぐために、四極磁石内部に挿入したＣｄ筒を取り除いて、条件２及び３と同条件の実験を行った。その結果を図７に示す。
【００５４】
図７を見ると、図６では見られなかったもう一方の領域のスポットが現れていることがわかる。これは、Ｃｄ筒状体（１３）がない場合、四極磁石（１２）で発散された負極性スピン成分が四極磁石（１２）内表面で反射し、正極性成分と同じビームパスに混じり込んできているものと考えられる（四極磁石（１２）の内表面を理想的な円筒面と仮定し、内表面に当たった中性子は１００％反射すると仮定してシミュレーションを行うと、正極性成分と同じビームパスに負極性成分が混じり込んでくるという結果が得られている）。
【００５５】
次に、各条件について、中性子ビームの偏極度Ｐを定量的に評価した。領域Ａ及び領域Ｂの中性子強度の積分値からバックグラウンドを差し引いた中性子強度をそれぞれ、Ｉ＋及びＩ−とした。ここで、バックグラウンドの値は、ビームシャッター閉の状態で測定したデータから求めた。次に次式を用いて、偏極度Ｐを評価した。
【００５６】
【数１７】
各条件について得られた偏極度を表１に示す。
【００５７】
【表１】
表１より、Ｃｄ筒ありの条件２及び条件３のとき、非常に高いスピン偏極度Ｐが得られていることが分かった。また。Ｃｄ筒ありの条件２のとき、統計エラーを考慮しても偏極度Ｐが１を超える値が得られている。これは、バックグラウンドデータを測定したときと偏極度データを測定した時で、バックグラウンドレベルが異なっていたために起こったものと考えられる。今回の実験では、ビームの偏極度Ｐが非常に高かったために、普段は気にならないわずかなバックグラウンドレベルのゆらぎが効いてきたと考えられる。
【００５８】
そこで、次に短時間の偏極度測定とバックグラウンド測定を交互に繰り返し行い、系統的なエラーを考慮した実験を行った。実験装置は、図５に示したものと同じであるが、この実験より、図６に見られたストリークの原因となっていた検出器信号処理回路のバグを修復したものを用いた。１測定の測定時間は６００ｓｅｃとし、次の
・条件１：スピンフリッパー（１８）オフ
・条件２：スピンフリッパー（１８）オン
・条件３：ＢＧ（ビームシャッター閉）
の３条件の測定を１セットとして、これを４３セット繰り返し測定した。同条件で測定した中性子強度分布データを足し込んだものを、図８に示す。ここで、前と同様に式（１）を用いて、中性子ビームの偏極度Ｐを評価した。得られた偏極度を表２に示す。今回、偏極度が１より大きくなってしまうようなことはなく、リーズナブルな値が得られた。
【００５９】
【表２】
次に、ハルバッハ型四極磁石を中性子偏極素子として用いて、集光型小角散乱実験の実験装置で、超伝導六極磁石の中性子集光特性を評価した。実験装置の構成を模式的に図９に示す。図９において、図５と同様な要素には同様な符号を付してある。図９中、（２３）は真空チャンバーであり、（２４）はＳｉウィンドウ、（２５）はＡｌウィンドウである。
【００６０】
スピンフリッパー（１８）のオン及びオフの条件で、位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）（２２）を用いて測定した。測定時間は共に４８００ｓｅｃである。得られた中性子強度の二次元強度分布を図１０に示す。また、各条件の動径平均値を図１１に示す。図１０及び図１１より、この実験の中性子ビームの偏極度Ｐは、これまでになく非常に高い値が得られていることがわかる。また、図１１より、スピンフリッパー（１８）オフの時、負極性成分の混入が良く抑えられているために、中性子強度分布のピーク値とバックグラウンドレベルの強度比は１０６程度にまで達していることが分かる。また、スピンフリッパー（１８）オフのとき、図１０（ｂ）及び図１１より、僅かの中性子が中心に集まっている様子がわかる。これは、中性子ビームの偏極度Ｐが完全に１でないために、僅かに含まれている逆極性の中性子が超伝導六極磁石（ＳＳＭ）（２０）により集光されたものと考えられる。このピーク値（図１１のＡ）より、逆極性成分の量を見積もると全中性子の約０．２６％であった。この値を用いて中性子ビームの偏極度を見積もると、Ｐ＝０．９９５であった。
【００６１】
次に、この実験装置を用いて試験的に、単分散性の良い平均粒径５００ｎｍのＳｉＯ２粒子の小角散乱測定を行った。測定結果を図１２に示す。粒子形状を反映した振動パターンが明瞭にみられた。そこで、粒子からの散乱強度を以下の式を用いてフィッティングした。
【００６２】
【数１８】
【００６３】
【数１９】
【００６４】
【数２０】
【００６５】
【数２１】
【００６６】
【数２２】
【００６７】
【数２３】
フィッティングの結果得られたパラメータを表３に示す。また、フィッティング結果を図１２（ｂ）に実線で示す。実験結果を、フィッティング関数で非常に良く表現することができた。
【００６８】
【表３】
上記のように、この出願の発明の実施例によれば、偏極度Ｐ＞０．９９の非常に高い値が得られた。このような高偏極度は、磁気ミラーを用いて達成することは困難である。さらに、四極磁石を用いる場合、中性子の吸収は全くなく透過率１００％であり、これも特筆すべき点である。高偏極性能と高透過性能を持った四極磁石は、特に磁気レンズを用いた集光型小角散乱装置の偏極素子として最適な素子と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この出願の発明による、四極磁石を用いた中性子偏極装置の構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】この出願の発明による中性子偏極装置において用いられる四極磁石の構造を模式的に示す横断面図である。
【図３】中性子が六極磁場に入射したときの様子を示す図である。
【図４】四極磁場中と六極磁場中に入射した中性子ビームの強度分布の時間変化を示す図である。
【図５】この出願の発明による実施例の中性子偏極装置を用いた実験装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図５の実験装置を用い、各条件について得られた中性子二次元強度分布を示す図である。
【図７】四極磁石内部に挿入したＣｄ筒を取り除いて実験を行った結果を示す図である。
【図８】短時間の偏極度測定とバックグラウンド測定を交互に繰り返し行って、系統的なエラーを考慮した実験を反映させた中性子強度分布データを示す図である。
【図９】ハルバッハ型四極磁石を中性子偏極素子として用いた集光型小角散乱実験の実験装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】図９の装置により得られた中性子強度の二次元分布を示す図である。
【図１１】中性子強度の動径平均値を示す図である。
【図１２】図９の実験装置を用いてＳｉＯ２粒子の小角散乱測定を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 中性子偏極装置
２ 四極磁石
３ 筒状体
４ ソレノイドコイル
５ 中性子の通路
１１ 中性子偏極装置
１２ ハルバッハ型四極磁石
１３ Ｃｄよりなる筒状体
１４ 磁場接続用ソレノイドコイル
１５、１６、１９ スリット
１７ ガイド磁場コイル
１８ スピンフリッパー
２０ 超伝導六極磁石（ＳＳＭ）
２１−１、２１−２ 磁場接続用ソレノイドコイル
２１−３ 中央ソレノイドコイル
２２ 位置検出型光電子増倍管（ＰＳＰＭＴ）
２３ 真空チャンバー
２４ Ｓｉウィンドウ
２５ Ａｌウィンドウ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るための中性子偏極装置であって、
中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石と、
四極磁石の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材と、
四極磁石の出口に配置され、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイルを備えることを特徴とする中性子偏極装置。
【請求項２】
四極磁石が４ピース型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項３】
四極磁石がハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項４】
四極磁石が発展型ハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項５】
中性子吸収材がＣｄよりなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の中性子偏極装置。
【請求項１】
中性子ビームを入射して中性子のスピンと磁場との相互作用により偏極した中性子ビームを得るための中性子偏極装置であって、
中性子ビームの通路の周囲に配置される四極磁石と、
四極磁石の内部に中性子の軸方向に沿って設けられた筒状の中性子吸収材と、
四極磁石の出口に配置され、四極磁石による四極磁場から断熱的に磁場を接続させ、且つ二極磁場を印加させるソレノイドコイルを備えることを特徴とする中性子偏極装置。
【請求項２】
四極磁石が４ピース型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項３】
四極磁石がハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項４】
四極磁石が発展型ハルバッハ（Halbach）型磁石であることを特徴とする請求項１記載の中性子偏極装置。
【請求項５】
中性子吸収材がＣｄよりなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の中性子偏極装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１２８６８１（Ｐ２００７−１２８６８１Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１８６２１（Ｐ２００５−３１８６２１）
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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