JP3597044B2 - 冷中性子集束装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子ビーム装置に関し、特に、中性子ビームを集束させる、あるいは、平行にする（コリメートする）のに用いられる光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷（長波長）中性子源は、分析、商用、および医療のさまざまなアプリケーションに用いられる。冷中性子源（ＣＮ（ｃｏｌｄ ｎｅｕｔｒｏｎ）源ともいう。）は、２２００ｍ／ｓ以下のオーダーの速度で、一般に０．２〜１０ｎｍのスペクトルレンジの波長の中性子を提供する。冷（長波長、すなわち、０．２〜１０ｎｍ）中性子は、貫通性が高く、大深度の中性子曝露を必要とするバルクアプリケーションで有用である。ＣＮ放射は顕微鏡でも用いられるが、分解能は電子顕微鏡やＸ線顕微鏡より低い。中性子分析における中性子の光学断面積は原子核によって支配される。これは、電子殻構造によって変化を受ける電子ビームやＸ線ビームとは対照的である。従って、中性子ビームは、顕微鏡において異なる構造的視野を有し、新たな方向を加える。
【０００３】
高いビーム強度を有する中性子ビーム設備が稼働し始めており、さまざまの重要な新しい貴重なアプリケーションが期待される。中性子放射化分析は、材料サンプルに中性子ビームを照射して中性子スピンの性質を検出するものであるが、広く用いられており、物質の組成を決定するための重要な技術である。高度に集束したＣＮビームで、顕微鏡的サンプル、およびサンプルの顕微鏡的領域を分析することができる。小さい面積にわたる組成の空間変動が分解される。
【０００４】
半導体デバイス製造において、ＣＮ源は、欠陥分析および不純物プロフィール分析のための半導体結晶構造の非破壊試験に用いられる。半導体結晶における歪み分布はＣＮ分析により明らかにされ、半導体レーザの設計および製造においてデバイス寿命を予測するために用いられる。高い強度を有し高度に集束したビームは、これらの分析において空間分解能および検出限界の両方を改善する。
【０００５】
ＣＮビームは、医療において、異常組織治療に用いられる。照射時間を短くするため、高いフラックスのビームが好ましく、隣接する健康な組織の被曝を少なくするには、高度に局所化したビームが有利である。これらおよびその他のアプリケーションにおいて、いくつかは完全に実現されていないが、ＣＮツールの有用性は通常、ビームの強度、および、ビーム方向の制御、すなわち、ＣＮビームを集束させる能力に正比例する。現在、原子炉（連続）およびスパレーション（パルス）の冷中性子源はいずれも、非常に低いフルエンスしかない。この事実は、ほとんどのアプリケーションにおけるＣＮ装置の有用性を強く制限する。
【０００６】
ビームを集束させ中性子フラックス密度を増大させるため、および、ビームの取り扱いを簡単にするために、ＣＮビームレンズ要素が求められてきた。レンズ要素はまた、次の２つの場合に、中性子ビームの角発散を修正するのにも重要となりうる。第１に、冷中性子源を導管と整合させる場合である。この場合、発散を、内部全反射の臨界角と一致させる必要がある。第２に、ビーム発散が重要な問題となる散乱アプリケーションの場合である。この場合、レンズは、無限遠補正レンズと同様に、ピンホールなどのビーム源からのビーム発散を縮小するために用いられる。
【０００７】
ＣＮビームを集束させるための努力はあまり実を結んでいない。現在までのところ最もよい結果は、反射光学系に基づくレンズおよびコリメータである。知られているように、中性子は、さまざまな材料からほぼ全反射を受ける。臨界角は一般に非常に大きいため、ライトガイド法に基づくビーム方向転換装置が得られる。この種の広く用いられている装置は、キャピラリーガイドのアレイ（Ｋｕｍａｋｈｏｖレンズともいう。）と、スーパーミラー被覆導管である。キャピラリーは一般にガラスまたはプラスチックであり、キャピラリーの内側を中性子反射材料（例えばニッケル）で被覆したものである。キャピラリーは、できるだけ多くの線源ビームを捕捉するように、密に束ねられた平行束状に配列される。この場合、実際には、線源は複数のビーム源となる。キャピラリーは、束の軸に関して内側に曲げられ、複数のビームのそれぞれが共通の焦点に集束する。このようなシステムについてさらに詳細には、例えば、
・米国特許第５，４９７，００８号（発行日：１９９６年３月５日）
・Ｍ． Ａ． Ｋｕｍａｋｈｏｖ ａｎｄ Ｖ． Ａ． Ｓｈａｒｏｖ， ”Ａ ｎｅｕｔｒｏｎ ｌｅｎｓ”， Ｎａｔｕｒｅ， Ｖｏｌ．３５７， ４ Ｊｕｎｅ １９９２， ｐｐ．３９０−３９３
・Ｈ． Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．， ”Ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌｙｃａｐｉｌｌａｒｙ ｆｉｂｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４ （１６）， １８ Ａｐｒｉｌ １９９４， ｐｐ．２０６８−２０７０
・Ｑ． Ｆ． Ｘｉａｏ ｅｔ ａｌ．， ”Ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃ ｆｏｒ ｓｕｂｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎａｌｙｓｉｓ”， Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ６５ （１１）， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９４， ｐｐ．３３９９−３４０２
に記載されている。
【０００８】
中性子光学は、中性子ビームの集束を除く（拡大する）のにも重要である。中性子小散乱の例は、２次元中性子検出器の固定された（そして光学的には小さくない）空間分解能によって分解能が制限される場合である。検出器の面で信号の空間変動を最適化するために拡大レンズを用いることが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の文献に記載されている装置、およびその他の、すれすれの入射角の中性子の反射に基づく集束装置は、一般に製造が困難かつ高価である。さらに、おそらくはより重要なことであるが、既に低フラックスの線源ビームのかなりの部分が、キャピラリー間の未使用空間によって失われるため、上記のような従来の装置は非効率的である。キャピラリーの壁の厚さが０で、キャピラリーが六方最密形に配列されるという理想モデルでも、間隙空間による損失は９．３％であるが、壁の厚さおよび内壁反射被覆の厚さを考慮に入れると（典型的な壁の厚さは理想直径（ＯＤ）の少なくとも２０％である。）、間隙損失は５０％近くになる。この大きい損失ファクタは、屈折光学レンズであれば除去することが可能であろうが、現在までのところそのようなレンズは存在しない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、屈折光学に基づく冷中性子レンズを製造することに成功した。このレンズは、３〜３００個の薄い集束レンズ要素を用いて冷中性子ビームを屈折させ効果的に集束させる複合システムである。屈折光学を用いることにより、既知の屈折レンズ設計原理および標準的な設計ソフトウェアを使用することが可能となる。この屈折光学レンズは、従来技術のほとんどの一般的な反射レンズに固有の大きい間隙損失を除去し、また、屈折レンズの吸収による損失はあるが、それは他の既知のＣＮレンズ装置に固有の損失よりもずっと小さい。本発明による新しい中性子レンズは、既存のＣＮアプリケーション（そのうちのいくつかについては既に述べた。）で使用可能である。さらに、本発明による中性子レンズは、光学顕微鏡の設計で用いられるのと同様の屈折原理に基づく新たな形式の中性子顕微鏡にも使用可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の原理を実証するため、図１に概略を示すように配置された薄肉レンズの列（アレイ）からなるＣＮ屈折レンズ系を構成した。図では、レンズホルダ１８内に５個の凹レンズ要素１１が示されている。１次のオーダーまでで、所望の全焦点距離に対して、レンズ要素の数は、各要素の中性子焦点距離に依存する。全焦点距離はｆ＝ｆ０／ｎである。ただし、ｎはアレイ中の要素数であり、ｆ０は単一レンズの焦点距離である。また、設計の際に考慮すべきなのは、各要素の中性子吸収である。ｎ個の要素による全吸収が、システム設計に対する許容範囲内にあるようにする。以下で説明するように、適当な材料の選択により、全吸収は、適度な限界内にとどめることができる。
【００１２】
中性子屈折率は、レンズの材料の原子核のみの性質である。一般に、原子核の小さい（すなわち、原子量の小さい元素の）材料のほうが有効である。このような元素の同位体も使用可能である。
【００１３】
図１で、レンズ要素は両凹形として図示されているが、平凹要素も使用可能である。これは、与えられた焦点距離に対して、要素数が２倍になってしまう代わりに、レンズ材料の処理を簡単化する可能性がある。また、レンズ要素は、放物形として図示されているが、他の凹形状（例えば球面）も同様に使用可能である。円柱形状により１次元集束も実現される。レンズ要素の半径Ｒは適度に小さく、２５〜５０ｍｍの範囲が好ましい。レンズの厚さ（レンズ軸上で測定し図１の寸法ｘで示されるもの）もまたなるべく小さくして、各レンズ要素を通るビームの光路を最小にするとともに吸収損失を最小にする。中性子の集束を除く（拡大する）には、凸形状を使用可能である。
【００１４】
説明を簡単にするため、図１のレンズは５個の単純な凹レンズ要素として図示されている。本発明を実証するために実際に用いた系では、３０個のＭｇＦ２結晶両凹レンズ要素を１列にして用いた。ここで説明するレンズでは、レンズ材料は小さい負の相対屈折率ｎ−ｎ０を有する。ただしｎは屈折率であり、ｎ０は真空の屈折率（公称１）である。従って、集束要素は、光波長で集光に用いられる通常の凸レンズではなく、凹レンズとなる。凹レンズ要素は、対称形であり、直径ｄは２５ｍｍ、半径Ｒは２５ｍｍ、エッジフラットｔは０．５ｍｍ、焦点距離ｆ０は１５０ｍであった。レンズ全体は、１０オングストロームでの冷中性子源を用いた場合、焦点距離は５ｍであった。実証系のレンズ要素は、図示のようにエッジフラットｔで支持された。
【００１５】
光学の当業者には理解されるように、本発明を実証するのに用いたレンズは比較的簡単な構成であり、中性子光学に最適化した場合、少ない集束要素しか必要としない。さらに、商用装置のレンズ設計では、さまざまな種類のレンズ要素（例えば、集束要素および拡大要素）により、大開口を提供し、歪みおよび色収差を縮小することが可能である。集束と色収差の間のトレードオフを考慮して、相異なる中性子屈折率（正負とも）のレンズ要素、すなわち、相異なる材料のレンズ要素も使用可能である。重力による歪みは、中性子光学では周知の効果であり、最適なレンズ設計では重力効果を考慮に入れることになる。現在の望遠鏡設計と同様に、移動可能なレンズを用いて信号に対する適応的調整を行うことも可能である。以上およびその他の考察から、商用実施例におけるレンズの数は広範囲（例えば３〜３００個の要素）に広がりうるが、一般には、集束要素の数は小さい範囲（例えば３〜３０個の要素）に入る。
【００１６】
レンズ要素に用いられる材料は、中性子吸収の低い材料であり、その例を以下の表に掲げる。これらの材料は、性能示数（ＦＯＭ）で順序づけられている。この性能示数は、束縛干渉性散乱長（ｂｏｕｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ）ｂｃ（単位はフェムトメートル（ｆｍ））の、吸収散乱断面積σａ（単位はバーン（＝１００ｆｍ２）に対する比である。ｂｃおよびσａはいずれも、２２００ｍ／ｓｅｃの熱中性子に対して測定したものである。同位体（アスタリスク（＊）で示す。）の場合、ＦＯＭには、自然存在比に対する同位体純度（これは、記載した断面積を達成するのに必要である。）の１０分の１を乗じてある。表には、ｂｃ＞５ｆｍ、σａ＜０．１バーン、存在比＞５％（原子量（ＡＷ）＞４０の場合）、およびＦＯＭ＞１０の核種のみを含めている。非干渉性散乱長ｂｃが０．１ｆｍより大きい材料は、プラス記号（＋）で示している。このような材料は、偏極中性子での使用には適さない可能性がある。中性子屈折率ｎは、束縛干渉性散乱断面積（ｂｏｕｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）から、ｎ−１＝−（４π／２ｋ２）ρｂｃとして導出される。この式で、ｋ＝２π／λであり、λは中性子の波長であり、ρは材料内の原子核の密度である。
【００１７】
【表１】
【００１８】
この表からわかるように、これらの材料の性能示数は、吸収損失によって支配される。例えば、マグネシウムは、中性子に対する好ましい屈折率を有するが、損失が大きいため、ＦＯＭは大きくはない。ＭｇＦ２を用いて本発明を実証することができたが、よりよい選択を上の表から行うことも可能である。炭素は、ダイヤモンドまたはグラファイトの形で用いることが可能である。炭素と酸素の組合せを、炭化水素の形で（例えばベンゼン結晶）用いることが可能である。窒素およびフッ素を炭化水素で用いることが可能である。ベリリウムは、単体で、または酸化物もしくは窒化物として用いることが可能である。フッ素は上記のようにＭｇＦ２として用いることが可能である。酸素および窒素は、酸化物または窒化物（例えばＭｇＯ）として用いることが可能である。
【００１９】
結晶材料は、ブラッグ反射から離れた一般に低い散漫散乱のため、好ましい。非干渉性散乱断面積が小さい核種もまた低い散漫散乱を示し、偏極中性子源を用いた系に特に適していると考えられる。
【００２０】
既に指摘したように、本発明の材料では、中性子に対する負の屈折率により、集束レンズ要素は凹形になる。これは、吸収によって支配される光学系では重要な利点である。その理由は、中性子ビームのうち光軸付近を通る部分がほとんど減衰されないので、ビームを集束させる目的と一致しているためである。レンズの焦点面におけるフラックスプロフィールは、必要に応じて、焦点に集中する。
【００２１】
上記の表の材料は単なる例示である。多くの他の材料も使用可能である。それほど好適ではないが、薄い壁のガラスまたはプラスチックのレンズ形の容器内の液体を用いることも可能である。このような液体の例には、Ｈ２Ｏ、アルコール、および、ＨＦ、Ｈ２ＣＯ３のような酸がある。
【００２２】
上記の材料の同位体も使用可能である。例えば、重水素化ベンゼンは、相対的に高い性能示数を有する。波長範囲０．２〜１０ｎｍの中性子に対する共鳴断面積を有する核種（例えば１１３Ｃｄ）を用いることにより良好な性質を得ることも可能である。
【００２３】
本発明に好ましい材料は、冷中性子吸収（本発明の目的では１０オングストロームの中性子の吸収として規定される）が１０−１バーン以下であり、２２００ｍ／ｓｅｃの中性子に対する束縛干渉散乱断面積が３ｆｍ以上であるものである。また、好ましい材料は、上記の表で用いた性能示数によって、２２００ｍ／ｓｅｃの中性子を用いて測定した中性子吸収に対する束縛干渉性散乱断面積の比が１０−１ｆｍ−１より大きい（好ましくは１ｆｍ−１より大きい）材料として、定義することも可能である。
【００２４】
図１のレンズを用いた代表的なシステムを図２に示す。図示のように、冷中性子源１２は、ピンホール１３、開口１４、およびレンズアレイ１７を有する。サンプル１５は、図示のように焦点に配置することが可能であり、あるいは、当業者に周知のようにレンズの前に配置することが可能である。散乱された中性子ビームを検出する装置は１６に示されている。屈折レンズ１１を除いては、これらのすべての要素はこの技術分野で標準的なものであり、例えば上記のＫｕｍａｋｈｏｖレンズ系のような反射系で用いられているものである。
【００２５】
上記のシステムは、１０オングストローム中性子ビームを集束させ、ピンホール光学系に比べて２０倍以上の利得を提供することが可能である。利得は、レンズを用いずに、すなわち、コリメーティングピンホールあるいはスリットを用いて得られる強度と比較した、焦点における強度として定義される。本発明の目的は、屈折レンズによって得られる利得が少なくとも２である場合に達成される。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、屈折光学に基づく冷中性子レンズが実現される。屈折光学を用いることにより、既知の屈折レンズ設計原理および標準的な設計ソフトウェアを使用することが可能となる。この屈折光学レンズは、従来技術のほとんどの一般的な反射レンズに固有の大きい間隙損失を除去し、また、屈折レンズの吸収による損失はあるが、それは他の既知のＣＮレンズ装置に固有の損失よりもずっと小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によって構成された多要素レンズの概略図である。
【図２】図１のレンズを用いた冷中性子集束システムの概略図である。
【符号の説明】
１１ 凹レンズ要素
１２ 冷中性子源
１３ ピンホール
１４ 開口
１５ サンプル
１６ 検出装置
１７ レンズアレイ
１８ レンズホルダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子ビーム装置に関し、特に、中性子ビームを集束させる、あるいは、平行にする（コリメートする）のに用いられる光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷（長波長）中性子源は、分析、商用、および医療のさまざまなアプリケーションに用いられる。冷中性子源（ＣＮ（ｃｏｌｄ ｎｅｕｔｒｏｎ）源ともいう。）は、２２００ｍ／ｓ以下のオーダーの速度で、一般に０．２〜１０ｎｍのスペクトルレンジの波長の中性子を提供する。冷（長波長、すなわち、０．２〜１０ｎｍ）中性子は、貫通性が高く、大深度の中性子曝露を必要とするバルクアプリケーションで有用である。ＣＮ放射は顕微鏡でも用いられるが、分解能は電子顕微鏡やＸ線顕微鏡より低い。中性子分析における中性子の光学断面積は原子核によって支配される。これは、電子殻構造によって変化を受ける電子ビームやＸ線ビームとは対照的である。従って、中性子ビームは、顕微鏡において異なる構造的視野を有し、新たな方向を加える。
【０００３】
高いビーム強度を有する中性子ビーム設備が稼働し始めており、さまざまの重要な新しい貴重なアプリケーションが期待される。中性子放射化分析は、材料サンプルに中性子ビームを照射して中性子スピンの性質を検出するものであるが、広く用いられており、物質の組成を決定するための重要な技術である。高度に集束したＣＮビームで、顕微鏡的サンプル、およびサンプルの顕微鏡的領域を分析することができる。小さい面積にわたる組成の空間変動が分解される。
【０００４】
半導体デバイス製造において、ＣＮ源は、欠陥分析および不純物プロフィール分析のための半導体結晶構造の非破壊試験に用いられる。半導体結晶における歪み分布はＣＮ分析により明らかにされ、半導体レーザの設計および製造においてデバイス寿命を予測するために用いられる。高い強度を有し高度に集束したビームは、これらの分析において空間分解能および検出限界の両方を改善する。
【０００５】
ＣＮビームは、医療において、異常組織治療に用いられる。照射時間を短くするため、高いフラックスのビームが好ましく、隣接する健康な組織の被曝を少なくするには、高度に局所化したビームが有利である。これらおよびその他のアプリケーションにおいて、いくつかは完全に実現されていないが、ＣＮツールの有用性は通常、ビームの強度、および、ビーム方向の制御、すなわち、ＣＮビームを集束させる能力に正比例する。現在、原子炉（連続）およびスパレーション（パルス）の冷中性子源はいずれも、非常に低いフルエンスしかない。この事実は、ほとんどのアプリケーションにおけるＣＮ装置の有用性を強く制限する。
【０００６】
ビームを集束させ中性子フラックス密度を増大させるため、および、ビームの取り扱いを簡単にするために、ＣＮビームレンズ要素が求められてきた。レンズ要素はまた、次の２つの場合に、中性子ビームの角発散を修正するのにも重要となりうる。第１に、冷中性子源を導管と整合させる場合である。この場合、発散を、内部全反射の臨界角と一致させる必要がある。第２に、ビーム発散が重要な問題となる散乱アプリケーションの場合である。この場合、レンズは、無限遠補正レンズと同様に、ピンホールなどのビーム源からのビーム発散を縮小するために用いられる。
【０００７】
ＣＮビームを集束させるための努力はあまり実を結んでいない。現在までのところ最もよい結果は、反射光学系に基づくレンズおよびコリメータである。知られているように、中性子は、さまざまな材料からほぼ全反射を受ける。臨界角は一般に非常に大きいため、ライトガイド法に基づくビーム方向転換装置が得られる。この種の広く用いられている装置は、キャピラリーガイドのアレイ（Ｋｕｍａｋｈｏｖレンズともいう。）と、スーパーミラー被覆導管である。キャピラリーは一般にガラスまたはプラスチックであり、キャピラリーの内側を中性子反射材料（例えばニッケル）で被覆したものである。キャピラリーは、できるだけ多くの線源ビームを捕捉するように、密に束ねられた平行束状に配列される。この場合、実際には、線源は複数のビーム源となる。キャピラリーは、束の軸に関して内側に曲げられ、複数のビームのそれぞれが共通の焦点に集束する。このようなシステムについてさらに詳細には、例えば、
・米国特許第５，４９７，００８号（発行日：１９９６年３月５日）
・Ｍ． Ａ． Ｋｕｍａｋｈｏｖ ａｎｄ Ｖ． Ａ． Ｓｈａｒｏｖ， ”Ａ ｎｅｕｔｒｏｎ ｌｅｎｓ”， Ｎａｔｕｒｅ， Ｖｏｌ．３５７， ４ Ｊｕｎｅ １９９２， ｐｐ．３９０−３９３
・Ｈ． Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．， ”Ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌｙｃａｐｉｌｌａｒｙ ｆｉｂｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４ （１６）， １８ Ａｐｒｉｌ １９９４， ｐｐ．２０６８−２０７０
・Ｑ． Ｆ． Ｘｉａｏ ｅｔ ａｌ．， ”Ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃ ｆｏｒ ｓｕｂｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎａｌｙｓｉｓ”， Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ６５ （１１）， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９４， ｐｐ．３３９９−３４０２
に記載されている。
【０００８】
中性子光学は、中性子ビームの集束を除く（拡大する）のにも重要である。中性子小散乱の例は、２次元中性子検出器の固定された（そして光学的には小さくない）空間分解能によって分解能が制限される場合である。検出器の面で信号の空間変動を最適化するために拡大レンズを用いることが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の文献に記載されている装置、およびその他の、すれすれの入射角の中性子の反射に基づく集束装置は、一般に製造が困難かつ高価である。さらに、おそらくはより重要なことであるが、既に低フラックスの線源ビームのかなりの部分が、キャピラリー間の未使用空間によって失われるため、上記のような従来の装置は非効率的である。キャピラリーの壁の厚さが０で、キャピラリーが六方最密形に配列されるという理想モデルでも、間隙空間による損失は９．３％であるが、壁の厚さおよび内壁反射被覆の厚さを考慮に入れると（典型的な壁の厚さは理想直径（ＯＤ）の少なくとも２０％である。）、間隙損失は５０％近くになる。この大きい損失ファクタは、屈折光学レンズであれば除去することが可能であろうが、現在までのところそのようなレンズは存在しない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、屈折光学に基づく冷中性子レンズを製造することに成功した。このレンズは、３〜３００個の薄い集束レンズ要素を用いて冷中性子ビームを屈折させ効果的に集束させる複合システムである。屈折光学を用いることにより、既知の屈折レンズ設計原理および標準的な設計ソフトウェアを使用することが可能となる。この屈折光学レンズは、従来技術のほとんどの一般的な反射レンズに固有の大きい間隙損失を除去し、また、屈折レンズの吸収による損失はあるが、それは他の既知のＣＮレンズ装置に固有の損失よりもずっと小さい。本発明による新しい中性子レンズは、既存のＣＮアプリケーション（そのうちのいくつかについては既に述べた。）で使用可能である。さらに、本発明による中性子レンズは、光学顕微鏡の設計で用いられるのと同様の屈折原理に基づく新たな形式の中性子顕微鏡にも使用可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の原理を実証するため、図１に概略を示すように配置された薄肉レンズの列（アレイ）からなるＣＮ屈折レンズ系を構成した。図では、レンズホルダ１８内に５個の凹レンズ要素１１が示されている。１次のオーダーまでで、所望の全焦点距離に対して、レンズ要素の数は、各要素の中性子焦点距離に依存する。全焦点距離はｆ＝ｆ０／ｎである。ただし、ｎはアレイ中の要素数であり、ｆ０は単一レンズの焦点距離である。また、設計の際に考慮すべきなのは、各要素の中性子吸収である。ｎ個の要素による全吸収が、システム設計に対する許容範囲内にあるようにする。以下で説明するように、適当な材料の選択により、全吸収は、適度な限界内にとどめることができる。
【００１２】
中性子屈折率は、レンズの材料の原子核のみの性質である。一般に、原子核の小さい（すなわち、原子量の小さい元素の）材料のほうが有効である。このような元素の同位体も使用可能である。
【００１３】
図１で、レンズ要素は両凹形として図示されているが、平凹要素も使用可能である。これは、与えられた焦点距離に対して、要素数が２倍になってしまう代わりに、レンズ材料の処理を簡単化する可能性がある。また、レンズ要素は、放物形として図示されているが、他の凹形状（例えば球面）も同様に使用可能である。円柱形状により１次元集束も実現される。レンズ要素の半径Ｒは適度に小さく、２５〜５０ｍｍの範囲が好ましい。レンズの厚さ（レンズ軸上で測定し図１の寸法ｘで示されるもの）もまたなるべく小さくして、各レンズ要素を通るビームの光路を最小にするとともに吸収損失を最小にする。中性子の集束を除く（拡大する）には、凸形状を使用可能である。
【００１４】
説明を簡単にするため、図１のレンズは５個の単純な凹レンズ要素として図示されている。本発明を実証するために実際に用いた系では、３０個のＭｇＦ２結晶両凹レンズ要素を１列にして用いた。ここで説明するレンズでは、レンズ材料は小さい負の相対屈折率ｎ−ｎ０を有する。ただしｎは屈折率であり、ｎ０は真空の屈折率（公称１）である。従って、集束要素は、光波長で集光に用いられる通常の凸レンズではなく、凹レンズとなる。凹レンズ要素は、対称形であり、直径ｄは２５ｍｍ、半径Ｒは２５ｍｍ、エッジフラットｔは０．５ｍｍ、焦点距離ｆ０は１５０ｍであった。レンズ全体は、１０オングストロームでの冷中性子源を用いた場合、焦点距離は５ｍであった。実証系のレンズ要素は、図示のようにエッジフラットｔで支持された。
【００１５】
光学の当業者には理解されるように、本発明を実証するのに用いたレンズは比較的簡単な構成であり、中性子光学に最適化した場合、少ない集束要素しか必要としない。さらに、商用装置のレンズ設計では、さまざまな種類のレンズ要素（例えば、集束要素および拡大要素）により、大開口を提供し、歪みおよび色収差を縮小することが可能である。集束と色収差の間のトレードオフを考慮して、相異なる中性子屈折率（正負とも）のレンズ要素、すなわち、相異なる材料のレンズ要素も使用可能である。重力による歪みは、中性子光学では周知の効果であり、最適なレンズ設計では重力効果を考慮に入れることになる。現在の望遠鏡設計と同様に、移動可能なレンズを用いて信号に対する適応的調整を行うことも可能である。以上およびその他の考察から、商用実施例におけるレンズの数は広範囲（例えば３〜３００個の要素）に広がりうるが、一般には、集束要素の数は小さい範囲（例えば３〜３０個の要素）に入る。
【００１６】
レンズ要素に用いられる材料は、中性子吸収の低い材料であり、その例を以下の表に掲げる。これらの材料は、性能示数（ＦＯＭ）で順序づけられている。この性能示数は、束縛干渉性散乱長（ｂｏｕｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ）ｂｃ（単位はフェムトメートル（ｆｍ））の、吸収散乱断面積σａ（単位はバーン（＝１００ｆｍ２）に対する比である。ｂｃおよびσａはいずれも、２２００ｍ／ｓｅｃの熱中性子に対して測定したものである。同位体（アスタリスク（＊）で示す。）の場合、ＦＯＭには、自然存在比に対する同位体純度（これは、記載した断面積を達成するのに必要である。）の１０分の１を乗じてある。表には、ｂｃ＞５ｆｍ、σａ＜０．１バーン、存在比＞５％（原子量（ＡＷ）＞４０の場合）、およびＦＯＭ＞１０の核種のみを含めている。非干渉性散乱長ｂｃが０．１ｆｍより大きい材料は、プラス記号（＋）で示している。このような材料は、偏極中性子での使用には適さない可能性がある。中性子屈折率ｎは、束縛干渉性散乱断面積（ｂｏｕｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）から、ｎ−１＝−（４π／２ｋ２）ρｂｃとして導出される。この式で、ｋ＝２π／λであり、λは中性子の波長であり、ρは材料内の原子核の密度である。
【００１７】
【表１】
この表からわかるように、これらの材料の性能示数は、吸収損失によって支配される。例えば、マグネシウムは、中性子に対する好ましい屈折率を有するが、損失が大きいため、ＦＯＭは大きくはない。ＭｇＦ２を用いて本発明を実証することができたが、よりよい選択を上の表から行うことも可能である。炭素は、ダイヤモンドまたはグラファイトの形で用いることが可能である。炭素と酸素の組合せを、炭化水素の形で（例えばベンゼン結晶）用いることが可能である。窒素およびフッ素を炭化水素で用いることが可能である。ベリリウムは、単体で、または酸化物もしくは窒化物として用いることが可能である。フッ素は上記のようにＭｇＦ２として用いることが可能である。酸素および窒素は、酸化物または窒化物（例えばＭｇＯ）として用いることが可能である。
【００１９】
結晶材料は、ブラッグ反射から離れた一般に低い散漫散乱のため、好ましい。非干渉性散乱断面積が小さい核種もまた低い散漫散乱を示し、偏極中性子源を用いた系に特に適していると考えられる。
【００２０】
既に指摘したように、本発明の材料では、中性子に対する負の屈折率により、集束レンズ要素は凹形になる。これは、吸収によって支配される光学系では重要な利点である。その理由は、中性子ビームのうち光軸付近を通る部分がほとんど減衰されないので、ビームを集束させる目的と一致しているためである。レンズの焦点面におけるフラックスプロフィールは、必要に応じて、焦点に集中する。
【００２１】
上記の表の材料は単なる例示である。多くの他の材料も使用可能である。それほど好適ではないが、薄い壁のガラスまたはプラスチックのレンズ形の容器内の液体を用いることも可能である。このような液体の例には、Ｈ２Ｏ、アルコール、および、ＨＦ、Ｈ２ＣＯ３のような酸がある。
【００２２】
上記の材料の同位体も使用可能である。例えば、重水素化ベンゼンは、相対的に高い性能示数を有する。波長範囲０．２〜１０ｎｍの中性子に対する共鳴断面積を有する核種（例えば１１３Ｃｄ）を用いることにより良好な性質を得ることも可能である。
【００２３】
本発明に好ましい材料は、冷中性子吸収（本発明の目的では１０オングストロームの中性子の吸収として規定される）が１０−１バーン以下であり、２２００ｍ／ｓｅｃの中性子に対する束縛干渉散乱断面積が３ｆｍ以上であるものである。また、好ましい材料は、上記の表で用いた性能示数によって、２２００ｍ／ｓｅｃの中性子を用いて測定した中性子吸収に対する束縛干渉性散乱断面積の比が１０−１ｆｍ−１より大きい（好ましくは１ｆｍ−１より大きい）材料として、定義することも可能である。
【００２４】
図１のレンズを用いた代表的なシステムを図２に示す。図示のように、冷中性子源１２は、ピンホール１３、開口１４、およびレンズアレイ１７を有する。サンプル１５は、図示のように焦点に配置することが可能であり、あるいは、当業者に周知のようにレンズの前に配置することが可能である。散乱された中性子ビームを検出する装置は１６に示されている。屈折レンズ１１を除いては、これらのすべての要素はこの技術分野で標準的なものであり、例えば上記のＫｕｍａｋｈｏｖレンズ系のような反射系で用いられているものである。
【００２５】
上記のシステムは、１０オングストローム中性子ビームを集束させ、ピンホール光学系に比べて２０倍以上の利得を提供することが可能である。利得は、レンズを用いずに、すなわち、コリメーティングピンホールあるいはスリットを用いて得られる強度と比較した、焦点における強度として定義される。本発明の目的は、屈折レンズによって得られる利得が少なくとも２である場合に達成される。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、屈折光学に基づく冷中性子レンズが実現される。屈折光学を用いることにより、既知の屈折レンズ設計原理および標準的な設計ソフトウェアを使用することが可能となる。この屈折光学レンズは、従来技術のほとんどの一般的な反射レンズに固有の大きい間隙損失を除去し、また、屈折レンズの吸収による損失はあるが、それは他の既知のＣＮレンズ装置に固有の損失よりもずっと小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によって構成された多要素レンズの概略図である。
【図２】図１のレンズを用いた冷中性子集束システムの概略図である。
【符号の説明】
１１ 凹レンズ要素
１２ 冷中性子源
１３ ピンホール
１４ 開口
１５ サンプル
１６ 検出装置
１７ レンズアレイ
１８ レンズホルダ
Claims (14)
- ０．２〜１０ｎｍの範囲の波長を有する中性子ビームを放出する中性子ビーム源と、前記中性子ビームを屈折させることによって中性子を集束させる集束手段とからなり、
前記集束手段は、屈折レンズからなり、前記中性子ビーム源と前記屈折レンズは、前記中性子ビームが前記屈折レンズを通ることにより屈折して集束するように配置される冷中性子集束装置において、
前記屈折レンズは、少なくとも３つの異なった凹レンズ要素からなり、
各レンズ要素は、２２００ｍ／ｓｅｃの中性子を用いて測定した、中性子吸収断面積が０．１バーン以下でありさらに束縛干渉性散乱長が５ｆｍよりも長い材料からなる
ことを特徴とする冷中性子集束装置。 - 前記中性子ビームは、前記屈折レンズを用いない場合の強度に対して２倍以上の強度となるように集束することを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記屈折レンズは、３〜３００個のレンズ要素からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記レンズ要素は、集束レンズ要素からなり、該集束レンズ要素は、凹レンズ要素からなることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記集束レンズ要素のうちの少なくともいくつかは、両凹レンズ要素であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
- 前記レンズ要素は、円柱状の凹レンズ要素からなることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記レンズ要素のうちの少なくともいくつかは拡大レンズ要素であり、該拡大レンズ要素は凸レンズ要素からなることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記レンズ要素のレンズ材料の１つ以上の構成元素は、Ｏ、Ｎ、Ｈ、Ｃ、Ｂｅ、Ｆ、およびＭｇからなる群から選択されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記レンズ要素のうちの少なくとも１つのレンズ材料は、ＭｇＦ２からなることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記レンズ要素の各々は、異なる中性子屈折率を有する異なる材料から作られることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記中性子ビームの中性子は、偏極中性子からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記中性子ビームの中性子は、偏極していない中性子からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記中性子源は、連続ビーム中性子源であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記中性子源は、パルスビーム中性子源であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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