JP2010217089A - 中性子線の単色集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の機械的方法に基づく曲面制御の困難という欠点を解消し、mmサイズの点集光を可能とし、低コストで高輝度中性子ビームを創成することができる中性子線の単色集光装置を提供する。
【解決手段】Si、GeまたはSiGeの半導体結晶バルクウェハーに、その半導体結晶の任意の塑性変形を可能とする塑性変形能を有する温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して作成されている。中性子ビームの単色化と高輝度化とを同時に行うことができる中性子線のモノクロメータまたはアナライザーとして利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶を用いた中性子ビームの単色化および高輝度化に関する。更に詳しくは、本発明は、当該結晶の任意の塑性変形を可能とする塑性変形能を有する温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して作成されていることを特徴とする中性子線の単色集光装置である。高温加圧加工法によって精密に、しかも再現性良く湾曲加工したSi、GeまたはSiGeの半導体結晶バルクウェハーを重ね合わせ、単色かつ小面積・高輝度の中性子ビームの取り出し方法に関するものである。

白色中性子ビームの単色化には、結晶のブラッグ反射を利用する結晶法が広く用いられている。中性子ビームは、線幅が数cm -数十cm程度に広がっているため、通常は、cmサイズの平板結晶を二次元的に並べて、大面積のモノクロメータ及びアナライザーを構成する。その際、図３に示すように、個々の平板結晶を全体として凹状に幾何配置することで、反射ビームを2cm四方程度にまで絞り込み、中性子ビームの単色化および高輝度化を図ってきた（例えば、非特許文献１参照）。

また、数mm以上の厚みを持った平板結晶を機械的に歪めて張力により曲面を形成する試みも為されてきた（例えば、非特許文献２参照）。なお、高温加圧加工法により曲面を精密制御した、Si、GeまたはSiGeの湾曲した半導体結晶バルクウェハーが本発明者らにより開発されている（例えば、特許文献１または非特許文献３参照）。

特開２００５−１４２３７０号公報

S.A.Smee, J.D.Orndorff, G.A.Scharfstein, Y.Qin,P.C.Brand, C.L.Broholm, D.K.Anand, "MACS low-background doublyfocusing neutron monochromator", Appl. Phys., 2002, A74(Suppl.), p.S255-S257 Jiri Kulda, Jan Saroun, "Elasticallybent silicon monochromator and analyzer on a TAS instrument",Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1996, A 379, p.155-166 K. Nakajima, K. Fujiwara, W. Pan, and H. Okuda, "Shaped silicon-crystalwafers obtained by plastic deformation and their application to silicon-crystallenses", NatureMaterials, 2005年1月，vol. 4, p.47-50

しかしながら、非特許文献１に記載のような平板結晶を用いる限り、集光スポットサイズには限界があり、中性子ビームの空間集光は不十分であるという課題があった。原理的には、個々の平板結晶サイズを小さくし、ピース数を増やしていけば、多角形近似としてより滑らかな凹面に近づく。しかし、結晶軸方向を揃えつつ多数のピースを必要な精度内（通常0.2°〜0.5°）に組み上げるには、相当の作業時間と高コストを必要とするという課題もあった。

また、非特許文献２に記載のように、平板結晶を機械的に歪めて張力により曲面を形成するものでは、設計通りに曲面を形成することの困難さ、及び、歪み量の低い限界値のため、mmサイズの点集光は未だ実現されていないという課題があった。

本発明は、以上のような課題を鑑みてなされたものであり、従来の機械的方法に基づく曲面制御の困難という欠点を解消し、mmサイズの点集光を可能とし、低コストで高輝度中性子ビームを創成することができる中性子線の単色集光装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明に係る中性子線の単色集光装置は、Si、GeまたはSiGeの半導体結晶バルクウェハーに、前記半導体結晶の任意の塑性変形を可能とする塑性変形能を有する温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して作成されていることを、特徴とする。ただし、任意の塑性変形を可能とする塑性変形能を有する温度範囲とは、特定の荷重をかけて半導体結晶バルクに任意の塑性加工をしたときに、半導体結晶バルクの厚さと半導体結晶バルクにかけた応力とにより決まる、半導体結晶バルクが破壊される温度を越える温度範囲をいう。

また、本発明に係る中性子線の単色集光装置は、中性子ビームの単色化と高輝度化とを同時に行う中性子線のモノクロメータまたはアナライザーであることが好ましい。この場合、モノクロメータ及びアナライザーの構成要素に、高温加圧加工法で曲面を精密制御したSi、GeまたはSiGeの湾曲した半導体結晶バルクウェハーを用いて、中性子ビームの集光効率を高めることができる。

本発明に係る中性子線の単色集光装置で、高温・高圧下での高温加圧加工法により、Si、GeまたはSiGeの半導体結晶内部では自然にモザイク結晶化が進み、更に湾曲度を加えることで、当該半導体結晶の完全結晶性が一段と低下する。これにより、完全結晶性に起因する消衰効果が取り除かれ、中性子反射強度を飛躍的に強めることができる。

更に、それらSi、GeまたはSiGeの湾曲結晶ウェーハを重ね合わせることで、中性子反射強度を増大させることができる。この手法が成立するのは、Si、GeまたはSiGeの元素の中性子吸収断面積が比較的小さいこと、および、金型を使ったホットプレス加工により再現性良く湾曲結晶を製作することができることによる。

本発明によって、これまでの平板結晶の組み合わせや張力による曲面形成では得られなかった、空間制御可能な高輝度中性子単色ビームを取り出すことができるようになる。また、本発明によれば、従来の機械的方法に基づく曲面制御の困難という欠点を解消し、mmサイズの点集光を可能とし、低コストで高輝度中性子ビームを創成することができる中性子線の単色集光装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の中性子線の単色集光装置およびその製造方法を示す斜視図である。 図１に示す中性子線の単色集光装置の使用状態を示す側面図、および反射強度の空間的広がりを示すグラフである。 従来の中性子線のモノクロメータを示す側面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１に、Si湾曲結晶ウェーハを構成要素とする、本発明の実施の形態のモノクロメータあるいはアナライザーから成る中性子線の単色集光装置を示す。また、図２に、それを用いた空間集光の一実施例の模式図を示す。図２に示すように、入射平行中性子ビームが湾曲結晶モノクロメータあるいはアナライザーにより反射され、反射中性子ビームが空間的に集光される。

図１に示すように、サイズ5cm角・厚さ0.5mm程度で、(111)面や(200)面といった反射面が出ているSi完全結晶ウェーハをホットプレス加工し、湾曲結晶ウェーハを製作する。それらを複数枚重ね合わせ、別に用意する結晶ホルダーにセットする。あとは、通常のモノクロメータ及びアナライザーと同様に扱う。図２に示すように、本発明の実施の形態のモノクロメータあるいはアナライザーから成る中性子線の単色集光装置によれば、通常の平板結晶モノクロメータ及びアナライザーで実現している2cm四方程度の集光ビームを、1cm四方以下にまで絞り込むことができ、中心部の輝度を数倍上昇させることができる。

なお、湾曲結晶の曲率は、モノクロメータ〜試料間の距離Lm（典型的には1〜3m）、あるいはアナライザー〜検出器間の距離La（典型的には0.2〜0.7m）に依存する。結晶の湾曲面を曲率半径Rの球面で近似すると、Rは大凡Lm, Laの程度であるから、例えば、サイズ5cm角の湾曲結晶１ピースをアナライザー構成要素に利用する場合、ホットプレス加工により深さ1mm程度の凹面を持たせる必要がある。

Claims (2)

1. Si、GeまたはSiGeの半導体結晶バルクウェハーに、前記半導体結晶の任意の塑性変形を可能とする塑性変形能を有する温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して作成されていることを特徴とする、中性子線の単色集光装置。
2. 中性子ビームの単色化と高輝度化とを同時に行う中性子線のモノクロメータまたはアナライザーであることを特徴とする請求項１記載の中性子線の単色集光装置。