JP7166637B2

JP7166637B2 - 中性子光学素子及び中性子源

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Publication number: JP7166637B2
Application number: JP2019530972A
Authority: JP
Inventors: 智小泉; 洋平能田
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: JPWO2019017233A1; WO2019017233A1

Description

本発明は、中性子線の進行方向を選別して調整するために用いられる中性子光学素子、及びこれが用いられた中性子源に関する。

中性子線は、中性子回折等、中性子線を物質に対して照射してその散乱・回折等を調べることによって、この物質の構造を調べるために用いられている。中性子は電子等と異なり電荷をもたず、物質に対する透過性が高く原子核によって散乱される。このため、中性子線を用いた場合には、同様に散乱・回折によって物質の様々な構造特性を調べるために用いられる電子線やＸ線を用いた場合とは異なる情報が得られる。特に、エネルギーの低い熱中性子の散乱によって各種の情報を得る中性子小角散乱は軽元素の分析において極めて有効である。

一方で、中性子線を発する中性子源の構成、特性は、電子線源やＸ線源等とは大きく異なる。電子線源やＸ線源としては、エネルギーが調整された（準）単色で高強度の電子線やＸ線を発するものが使用可能であるのに対して、このような性質をもつ中性子源を得ることは困難であり、実際に使用されている主な中性子源としては、例えば放射性同位体や、大型施設（原子炉や大型加速器）がある。前者においては非常に低強度の中性子線しか得られず、後者の場合は高強度の中性子線は得られるものの、核分裂や核破砕反応を行わせるための大規模の設備が必要となる。こうした原子炉の維持管理は容易ではないために、上記のような分析用に用いられる中性子源としては適さない。

原子炉等よりも小規模であり高強度の中性子線が得られる中性子源としては、例えば非特許文献１に記載されたＲＡＮＳ（ＲｉｋｅｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ－ｄｒｉｖｅｎｃｏｍｐａｃｔＮｅｕｔｒｏｎＳｏｕｒｃｅ）がある。ＲＡＮＳにおいては、７ＭｅＶ程度の陽子ビームが加速器で生成され、^９Ｂｅ薄膜に照射される。これによって、^９Ｂと中性子（高速中性子）が生成されるが、この中性子のエネルギーはＭｅＶ程度と高いために、例えば上記の中性子小角散乱の実験用には適さない。このため、ＲＡＮＳにおいては、高速中性子に対する減速材となるポリエチレンで構成されたブロックが^９Ｂｅの薄膜よりも陽子ビーム側から見て後方に固定されている。これによって、高速中性子が減速されて散乱されたエネルギーが５０ｍｅＶ程度の熱中性子が、高強度で後方に発せられる。また、発せられる中性子線のオン・オフは加速器で生成される陽子ビームのオン・オフで制御されるため、制御されたパルス状の中性子線を得ることができる。

一方、この構成において、加速器から発せられる陽子ビームは点源とみなせる程度に細く、高い指向性をもつが、その後に発生した高速中性子はポリエチレンブロックで減速散乱される際に広がるため、最終的に生成される熱中性子はポリエチレンブロックの広い範囲から様々な方向に発散して発せられる。すなわち、この中性子源は、ポリエチレンブロックの広い範囲から中性子を発する面光源となる。

「陽子線加速器駆動理研小型中性子源ＲＡＮＳによる中性子利用」、大竹淑恵、小林知洋、太田秀男、山田雅子、橋口孝夫、 ▲柳▼町信三、竹谷篤、 ▲高▼村正人、關義親、池田義雅、須長秀行、王盛、山形豊、加藤純一、第１２回日本加速器学会年会プロシーディングス、１３５８頁、２０１５年８月６日

このような面光源となる中性子源から発せられた中性子線の全積分強度は高いものの、中性子線を各種の散乱実験等に用いるためには、空間上のある１点（例えば被分析試料上や検出器上の１点）に中性子線を集中させ、この１点で中性子線の強度を局所的に高める（集光する）ことが特に好ましい。電子線に対しては静磁場や静電場を利用して、Ｘ線に対しては反射鏡を利用して、これらを高効率で集光する光学素子を得ることが可能であるのに対して、中性子線に対しては、これを同様に高効率で集光することが困難であった。

このため、中性子線を高効率で集光する中性子光学素子、これを用いた高強度の中性子源が求められた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の中性子源は、ビーム状の中性子を発する中性子源であって、表面から熱中性子線を発する、中性子減速材で構成された板状の熱中性子発生部を具備する中性子面光源と、前記熱中性子発生部の一方の側の表面から発散するように発せられる中性子線を集光するように前記熱中性子発生部の前記一方の側に固定された中性子光学素子と、を具備し、前記中性子光学素子は、中性子吸収体からなる複数の薄板で構成され前記熱中性子発生部の法線方向に沿って貫通する複数の開口が配列されて形成され、前記法線方向に沿った異なる位置に設けられた複数のコリメータと、複数の前記コリメータを前記法線方向の周囲で固定する筐体と、を具備し、複数の前記コリメータの中で前記一方の側と反対の他方の側に設けられた前記コリメータにおける前記開口である上流側開口と、前記一方の側に設けられた前記コリメータにおける前記開口である下流側開口は、同一構成の配列でそれぞれ複数設けられ、他方の側に設けられた前記コリメータにおける前記上流側開口の各々と、当該上流側開口の各々に対応した前記配列における前記下流側開口の各々とを結ぶ直線が、前記一方の側に設けられた前記コリメータよりも前記一方の側に設定された集光点を通過するように構成され、最も前記他方の側にある前記コリメータにおける前記開口の周囲における前記中性子吸収体と前記熱中性子発生部とが当接するように、最も前記他方の側にある前記コリメータは前記筐体に固定されると共に、最も前記他方の側にある前記コリメータ以外の前記コリメータの前記法線方向に沿った位置が調整可能とされることによって、全ての前記コリメータの間の相互の位置関係が調整され、前記法線方向に沿った前記集光点の位置が調整可能とされたことを特徴とする。
本発明の中性子源は、前記コリメータにおいて、複数の前記開口は、並行に設けられた複数の前記薄板からなる第１の梁部と、前記第１の梁部と交差するように並行に設けられた複数の前記薄板からなる第２の梁部と、の組み合わせにより形成されたことを特徴とする。
本発明の中性子源において、前記コリメータは、前記一方向に沿って３つ以上離間して設けられ、３つ以上の前記コリメータの中における隣接する２つの前記コリメータからなる複数の組み合わせに対して、共通の前記集光点が設定されたことを特徴とする。
本発明の中性子源は、前記下流側開口の開口幅、前記配列において隣接する前記下流側開口の間隔は、それぞれ前記上流側開口の開口幅、前記配列において隣接する前記上流側開口の間隔よりも小さいことを特徴とする。
本発明の中性子源において、前記コリメータは、Ｂ_４Ｃ焼結体で構成されたことを特徴とする。
本発明の中性子源において、前記コリメータは、Ｂ_４Ｃ、Ｇｄ、Ｃｄのいずれかで構成されたことを特徴とする。
本発明の中性子源において、前記筐体は、複数の前記コリメータを、前記法線方向に沿った離間した箇所において、前記法線方向に沿った間隔を固定して支持する支持部を具備し、前記支持部が複数種類準備された中での前記支持部の選択により、あるいは前記コリメータの前記支持部に対する固定位置の調整により、前記法線方向に沿って隣接する前記コリメータの間隔が調整可能とされたことを特徴とする。
本発明の中性子源は、前記開口を含んだ形態が同一であり異なる材料で構成された複数の前記コリメータが準備された中で、前記コリメータが選択されて用いられることを特徴とする。
本発明の中性子源は、前記中性子光学素子が真空雰囲気中に配置されたことを特徴とする。
本発明の中性子源は、前記熱中性子発生部に対する前記他方の側に^９Ｂｅで構成された高速中性子発生部が設けられ、前記高速中性子発生部は、前記一方の側に向かって発せられる陽子線で照射される構成とされたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、中性子線を高効率で集光する中性子光学素子、これを用いた高強度の中性子源を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る中性子光学素子が用いられた中性子源の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において用いられるコリメータの構成を示す斜視図（その１）である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において用いられるコリメータの構成を示す斜視図（その２）である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子の変形例が用いられた中性子源の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において、コリメータが薄い場合における中性子源の通過状況を示す図である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において、コリメータが厚い場合における中性子源の通過状況を示す図である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子を試料の分析に用いる際の形態を示す第１の例である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子を試料の分析に用いる際の形態を示す第２の例である。本願発明の実施例において、コリメータの開口面積を変えてビーム形状（中性子線強度分布）を測定した結果である。本願発明の実施例において、コリメータの開口面積を変えて中性子の飛行時間を測定した結果である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において用いられるコリメータの第１の変形例の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る中性子光学素子において用いられるコリメータの第２の変形例の構成を示す斜視図である。

本発明の実施の形態に係る中性子光学素子が用いられる中性子源について説明する。図１は、この中性子源１の構造を示す断面図である。この中性子源１は、中性子面光源１０と、中性子光学素子２０とが組み合わせて構成される。中性子面光源１０は、非特許文献１に記載されたＲＡＮＳであり、ここでは、ＲＡＮＳにおいて使用される陽子ビームの進行方向に沿った断面が示されている。

この中性子面光源１０においては、^９Ｂｅ（ベリリウム）で構成され図１中の上下方向及び紙面垂直方向に広がる面状のＢｅ箔１１が用いられる。Ｂｅ箔１１に対して垂直に、加速器で生成されたエネルギーが７ＭｅＶの陽子ビーム（陽子線）Ｐが後方（図中右側：一方の側）に向かって入射する。陽子ビームＰは、前後方向（図中左右方向：一方向）となる中心軸Ｘに沿って放射されるように加速器で生成されて前方より照射され、陽子ビームＰの中心軸Ｘ周りの空間的広がりは例えば１０ｍｍ以下と十分に小さい。これによって、^９Ｂｅの核反応によりＢｅ箔１１からＭｅＶ程度のエネルギーをもつ高速中性子が発せられる。

Ｂｅ箔１１の後方には、Ｂｅ箔１１よりも厚い板状とされた中性子減速材（熱中性子発生部）１２が、接合材１３を介して接合されている。中性子減速材１２の大きさ（図１における上下方向の長さ）は例えば１５０ｍｍ程度、厚さ（図における左右方向の厚さ）は４０ｍｍ程度とされ、Ｂｅ箔１１、中性子減速材１２は共に中心軸Ｘと垂直に設置されるものとする。中性子減速材１２は、高速中性子を減速、散乱させる材料として、例えばポリエチレンで構成される。接合材１３は、逆に高速中性子の散乱能、吸収能が低く高速中性子を透過させやすいＶ（バナジウム）等で構成される。この高速中性子が中性子減速材１２中で減速、散乱されて５０ｍｅＶ程度のエネルギーとされた熱中性子となって中性子減速材１２の後方の表面から発せられる。陽子ビームＰの中心軸Ｘ周りの広がりは中性子減速材１２よりも十分に小さいが、この構成によって、熱中性子は中性子減速材１２の面内（図１における上下方向）にわたり広い範囲から散乱して後方に発せられる。上記の点については、非特許文献１に記載されたものと同様である。

この中性子光学素子２０は、この中性子面光源１０の図中右側（下流側）に装着されて用いられ、上流側の第１コリメータ（コリメータ）２１、下流側の第２コリメータ（コリメータ）２２が、筐体（支持部）２５中で固定されて構成されている。図１に示された部分は、全て真空排気された雰囲気中に設置されるため、中性子光学素子２０中における中性子の空気による散乱は無視できる。また、中性子の漏れを抑制し、かつ得られる中性子線の強度を高めるためには、上流側の第１コリメータ２１と中性子減速材（熱中性子発生部）１２を密着させることが好ましい。

第１コリメータ２１、第２コリメータ２２は共に熱中性子に対する吸収能の高い中性子吸収体で構成される。第１コリメータ２１、第２コリメータ２２には、それぞれこれらを前後方向（厚さ方向）で貫通する開口２１Ａ、２２Ａが配列されて設けられる。第１コリメータ２１、第２コリメータ２２の基本的構成は同様であり、各開口の大きさ、間隔が異なる。図２Ａは第１コリメータ２１、図２Ｂは第２コリメータ２２の構成を示す斜視図である。第１コリメータ２１、第２コリメータ２２は共に矩形の板状とされる。また、矩形形状の開口２１Ａ、２２Ａは同一の配列構成（縦横奇数個ずつの２次元配列）でそれぞれに設けられている。図１ではこの個数は５個であり、この個数は一般には奇数である。

図２Ａ、図２Ｂに示されるように、第２コリメータ２２における開口２２Ａが配列した構造は、第１コリメータ２１における開口２１Ａが配列した構造を縮小した形態とされている。このため、図２Ａにおける開口２１Ａの１辺の長さをＤ１、図２Ｂにおける開口２２Ａの１辺の長さをＤ２として、Ｄ１＞Ｄ２とされる。また、第１コリメータ２１の厚さ、第２コリメータ２２の厚さは等しく、共にＴとされる。図１においては、第１コリメータ２１における左右方向における中央において上下方向に並んだ開口２１Ａ、また、第１コリメータ２１における配列の中心にある開口２１Ａと、第２コリメータ２２における配列の中心にある開口２２Ａとは、中心軸Ｘ上にある。このため、第１コリメータ２１における一つの開口２１Ａと、第２コリメータ２２においてこの一つの開口２１Ａと配列中において同じ位置にある開口２２Ａとを対応付けることができる。図１においては、左右方向における中央にそれぞれ５つ配列した開口２１Ａ、開口２２Ａがある箇所の断面が示されている。この断面は前記の通り、陽子ビームＰ、中心軸Ｘに沿っている。

図１において、上流側の開口２１Ａ（上流側開口）の各々と、これに対応する下流側の開口２２Ａ（下流側開口）の各々との間を通る直線（中性子線に対応する図中の破線Ｎ１~Ｎ５）は、この中性子光学素子２０の後方に設定された集光点Ｆを通るように構成される。ここでは、集光点Ｆは、中性子線強度の２次元分布を検出可能な検出器５０上に設けられているものとする。中性子減速材１２の全面から後方に拡散して放射される熱中性子のうち、集光点Ｆに向かうもののみが抽出されるため、集光点Ｆにおける中性線強度を局所的に高めることができる。図１中右側には、検出器５０で検出されるこのような中性子強度分布が模式的に示されている。

図１の中性子光学素子２０においては、２つのコリメータ（第１コリメータ２１、第２コリメータ２２）が用いられたが、さらに多くのコリメータを用いて、中性子線の交差を禁じて、強度分布を更に急峻にすることができる。図３は、こうした構成を具備し上記の中性子光学素子２０の変形例となる中性子光学素子３０が用いられた中性子源２の構造を示す。ここでは、前記の第１コリメータ２１、第２コリメータ２２の間に、同様の構造を具備する第３コリメータ（コリメータ）２３が設けられている。第３コリメータ２３においても、開口２３Ａが、第１コリメータ２１における開口２１Ａ、第２コリメータ２２における開口２２Ａと同一の配列（縦横５個ずつの２次元配列）で形成されている。

前記の通り、第１コリメータ２１における各開口２１Ａ（上流側開口）と第２コリメータ２２における各開口２２Ａ（下流側開口）の位置関係は、これらの間を通過する直線が集光点Ｆを通るように構成されている。図３の構造においては、第１コリメータ２１における各開口２１Ａと第３コリメータ２３における各開口２３Ａの位置関係、第３コリメータ２３における各開口２３Ａと第２コリメータ２２おける各開口２２Ａの位置関係も、共に同様とされ、対応する開口間を通過する直線が集光点Ｆを通過するように設定される。

このため、図１の構成と同様に、中性子線Ｎ１~Ｎ５はそれぞれ対応する開口２１Ａ、２３Ａ、２２Ａを順次通過し、集光点Ｆに達する。一方、図１においては、例えば１番上の開口２１Ａを通過した後に上から２番目の開口２２Ａを通過する中性子線Ｍ１、１番上の開口２１Ａを通過した後に上から３番目の開口２２Ａを通過する中性子線Ｍ２も検出器５０に達する。このため、図１の構成においては、検出器５０において集光点Ｆから離間した箇所にも中性子線が到達し、これによって、集光点Ｆから離間した箇所における中性子線強度を十分に低減できない場合がある。

これに対して、図３の構成においては、第３コリメータ２３における開口２３Ａ以外の部分を中性子線Ｍ１、Ｍ２が通過するように設定し、中性子線Ｍ１、Ｍ２が第３コリメータ２３よりも後方に通過することを抑制することができる。厳密には、各開口２１Ａを通過する中性子線は広がりをもち、上記の中性子線Ｎ１~Ｎ５、Ｍ１、Ｍ２も広がりをもつために、実際の状況はより複雑であるが、第３コリメータ２３を用いることによって、中性子線Ｍ１、Ｍ２に対応する中性子線の強度を低下させることができる。

図３の構成においては、３つのコリメータ（第１コリメータ２１、第２コリメータ２２、第３コリメータ２３）が用いられたが、同様にして、４つ以上のコリメータを用いることによって、試料Ｓにおいて集光点Ｆ以外の点における中性子線強度を低下させることができる。すなわち、集光点Ｆにおける中性子線強度を周囲と比べて相対的に高くし、中性子線の強度のコントラストを高めることができる。

例えばこのような中性子線を試料に照射して分析を行う際には、その位置分解能は、図１の構成における集光点Ｆ付近での中性子線の強度分布の広がり（図１におけるＷ）に依存し、位置分解能を高めるためには、Ｗを小さくすることが好ましい。Ｗは、図２Ａ、図２Ｂにおける開口２１Ａ、２２Ａの開口幅Ｄ１、Ｄ２に依存し、この開口幅を狭くすることによって、Ｗを小さくすることができる。一方、この開口幅を狭くした場合には開口を通過する中性子線の積分強度が低下するため、集光点Ｆにおける中性子線強度は低下する。このため、上記の構成においては、試料Ｓ上で要求される中性子線強度と実験における位置分解能等を考慮して、各コリメータにおける開口幅が設定される。

また、図４は、図１の構成において最も上側の開口２１Ａ（上流側開口）、開口２２Ａ（下流側開口）を通過する中性子線の状況を示す図である。ここで、開口２１Ａ、２２Ａを構成する第１コリメータ２１、第２コリメータ２２の内面における中性子線の反射や回折は無視できるものとする。この場合において、一番上の開口２１Ａ及び一番上の開口２２Ａを通過する中性子線は破線Ｎ１１とＮ１２の間の範囲のものとなる。

これに対して、図５は、第１コリメータ２１、第２コリメータ２２の厚さＴを図４の場合よりも大きくした以外の点については図４と同様とした場合の状況を示す。この場合には、一番上の開口２１Ａ及び一番上の開口２２Ａを通過する中性子線は破線Ｎ２１とＮ２２の間の範囲のものとなる。この場合には、厚い第１コリメータ２１、第２コリメータ２２によって遮られる中性子線の成分が増えるため、図４の場合と比べて、この範囲が大幅に狭まる。このため、図２Ａ、図２Ｂにおける第１コリメータ３１、第２コリメータ３２の厚さＴは、薄いことが好ましく、これらの間に挿入されるコリメータについても同様である。一方、これらが薄い場合には、これらを開口以外の箇所で透過する中性子線の成分が発生する。このため、各コリメータは、中性子線の吸収能が高く、かつ機械的強度が高い材料で薄く構成することが好ましい。

具体的には、各コリメータを構成する材料として、中性子吸収能の高いホウ素（Ｂ）を含むＢ_４Ｃを好ましく用いることができる。この場合には、Ｂ_４Ｃ粉体を成形、焼結した焼結体として各コリメータを製造することができる。また、同様に中性子吸収能が高い金属であるＣｄ（カドミウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）等も用いることができる。こうした金属材料を用いた場合には、特に各コリメータを薄く形成して、透過率を高めることができる。

また、図３に示されたようにコリメータの数を多くした場合（第１コリメータ２１、第２コリメータ２２の間に他のコリメータを挿入した場合）には、前記の通り、集光点Ｆ以外の中性子線強度を低下させることによってＷを小さくすることができるが、図４、５に示されたように、挿入されたコリメータによって遮蔽される中性子線の成分が大きくなるために、挿入されるコリメータが増えるに従って、やはり集光点Ｆにおける中性子線の広がりが低下する。このため、使用するコリメータの数（層数）も、上記の開口幅と同様に、要求される中性子線強度と実験における位置分解能等を考慮して設定される。

次に、上記の中性子光学素子あるいは中性子源を用いて中性子小角散乱実験を行う際の形態について説明する。この場合には、試料は中性子光学素子と検出器５０の間に設置される。図１、３等においては、検出器５０上に集光点Ｆが設定されるものとしたが、集光点Ｆの位置は、適宜設定することができる。

図１の構成においては、前記の通り、上流側の第１コリメータ２１と中性子減速材１２とは密着させることが好ましい。同様に、試料Ｓも、下流側のコリメータに近接させることが好ましい。図６、７は、このように試料Ｓと検出器５０が配置された場合の構成を示す図である。ここでは、図３と同様のコリメータが３層構造とされた中性子光学素子が用いられるものとする。

図６の構成においては、試料Ｓが第２コリメータ２２の直後に第２コリメータ２２と接するように設置され、集光点Ｆが検出器５０上に設定された中性子光学素子３１が用いられる。このため、検出器５０において、試料Ｓによる散乱がない場合（試料Ｓが設置されない場合）における中性子線、試料Ｓによる散乱後の中性子線を高強度で検出することができる。ここで、試料Ｓが存在しない場合には、前記の通り、図中の中性子線Ｎ１~Ｎ５は検出器５０上の集光点Ｆに集光する。一方、試料Ｓで散乱された中性子線は図中の散乱中性子線Ｓ１、Ｓ２のように方向が変化するため、集光点Ｆから外れた箇所で検出されるため、結局、試料Ｓが存在する場合に検出器５０で検出される強度分布は、試料Ｓが存在しない場合と比べて広がる。この強度分布の差を解析することによって、試料Ｓに関する情報を得ることができる。

この場合においては、図１の強度分布（実線）におけるＷを小さくすることによって、よりこの解析における位置分解能が高まる。この際、検出器５０上に集光点Ｆを設定することによって、検出器５０で検出される信号の強度を高めることによってＳ／Ｎ比を高め、測定を高精度で行うことができる。

図７の構成においては、試料Ｓが第２コリメータ２２の直後に設置される点は上記と同様であるが、集光点Ｆが試料Ｓ上（第２コリメータ２２の直後）に設定された中性子光学素子３２が用いられる。このため、試料Ｓを透過あるいは試料Ｓで回折された中性子線は検出器５０上では中性子線Ｎ１~Ｎ５に対応して再び５つに分離して検出される。一方で、試料Ｓ上における中性子線強度及びこのコントラスト、試料Ｓにおいて中性子線が照射される箇所の位置分解能を高めることができる。

すなわち、検出器５０における中性子線強度及びその分解能を高めるか、試料Ｓにおける中性子線強度及びその分解能を高めるかを、中性子光学素子におけるコリメータの相互の距離を変えることによって、同一の素子で集光点を可変にすることもできる。この場合においては、最も上流側のコリメータとしては、共通のものを用いることができ、これよりも下流側のコリメータの相互位置を変更する移動機構を設けることによって、この設定をすることができる。また、集光点Ｆを試料Ｓ、検出器５０以外の箇所に設定することもできる。

実際にＢ_４Ｃ焼結体で構成された３種類のコリメータを用いた図６の構成における検出器５０で検出された結果について説明する。図８は図６における３つのコリメータの開口を共通（７０ｍｍ×７０ｍｍ、４０ｍｍ×４０ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍの３種類の矩形形状）として共通の集光点Ｆ（熱中性子発生部１２から集光点Ｆまでの距離を１５００ｍｍ）が得られるようにした場合における、中性子線強度（カウント数）の光軸中心（集光点Ｆ）からの距離依存性を測定した結果である。この形状は、上記の中性子光学素子によって得られた中性子線のビーム形状を反映する。開口面積によらずに、指向性が高められたビーム形状が得られ、開口面積を大きくとることにより、高い中性子線強度が得られることが確認できる。図９は、図８に対応して中性子の飛行時間（中性子の波長に対応）を測定した結果であり、開口面積によらずに、共通のピーク（最も頻度の高い飛行時間）が得られている。このため、上記の中性子光学素子を用いて、指向性の高い中性子線を得ることができ、これを用いて中性子小角散乱等、各種の測定を行うことができる。

図１、３等の構成において、隣接するコリメータの間隔は、コリメータを機械的に支持して固定する筐体（支持部）２５で定まる。このため、使用される各コリメータは同一とした場合でも、筐体２５を複数種類設け、その選択によって、集光点Ｆの位置（焦点距離）を調整することができる。また、単体の筐体２５に対する各コリメータの装着位置が複数に設定可能とすることもでき、これによって集光点Ｆの位置を調整可能とすることもできる。

こうした構成は、各コリメータと筐体２５を別体として製造することによって容易に実現することができる。また、上記のような中性子吸収能が高くコリメータに適した材料は、装置全体の機械的強度等を確保する筐体２５を構成する材料としては好ましいとは限らない。更に、コリメータが上記のような平板に開口を形成しただけの単純な構造であれば、コリメータを容易かつ安価に容易に製造することができるのに対して、筐体２５をこのような材料で製造することは容易ではない場合もある。このため、各コリメータと筐体２５は異なる材料で別体として製造することが特に好ましく、これによって上記のような焦点距離の調整も特に容易となる。

一方、集光点Ｆ付近で得られる中性子線強度あるいは強度分布（ビーム形状）は、コリメータにおける開口以外の部分の中性子透過率等にも影響を受ける。このため、中性子線強度やビーム形状は、上記のようなコリメータの位置（間隔）設定だけでなく、コリメータを構成する材料の設定や厚さによっても調整することが可能である。このため、上記のように各コリメータと筐体２５を異なる材料で別体として製造する場合には、開口部の配置や大きさを含んだ形状が同一であり材料が異なる複数のコリメータを製造し、この中からコリメータを選択可能としてもよい。この際、コリメータの厚さの異なるものを設けてもよい。

このように、上記の中性子光学素子における仕様の変更（集光点Ｆの位置の設定）は容易であり、かつ、上記の中性子光学素子の基本構造は、図２Ａ、図２Ｂに示された形状のコリメータを組み合わせることによって得られるため、非常に単純である。このため、この中性子光学素子を安価とすることができる。

なお、上記の例においては、コリメータにおいて開口は縦横５個ずつに２次元配列された。しかしながら、この構成、個数は適宜設定することができる。前記の通り、分析の位置分解能を高めるためには開口を小さくすることが好ましく、この場合に中性子線強度を高めるためには、開口の個数をより多く設定し、広い範囲からの中性子線を集光させることが好ましい。また、上記の例においては、図２Ａ、図２Ｂに示されたように、各コリメータに矩形形状の開口が配列して設定された。この場合には、コリメータにおいて無駄な領域を設けずに開口を効率的に配列させることができ、かつ、コリメータの製造が容易である。しかしながら、開口の形状は任意であり、例えばハニカム形状等のものを用いることができる。また、上記の例では開口が２次元配列されたが、開口を１次元配列してその配列方向のみで集光をしてもよい。

また、図２Ａ、２Ｂに示されたような、格子状のコリメータは、焼結体をこのような形状として製造することができる。一方で、こうした形状は、他の製造方法によっても容易に製造することができる。図１０Ａ、図１０Ｂは、こうしたコリメータ１２０、１３０の構造を図２Ａ、図２Ｂに対応させて示す図である。

図１０Ａにおいて、コリメータ１２０は、図における縦方向に延伸し横方向において並行に複数設けられた複数の柱状の第１の梁部１２０Ａと、横方向に延伸し縦方向において並行に複数設けられた複数の第２の梁部１２０Ｂとが、組み合わされて構成される。この場合には、複数の柱状の第１の梁部１２０Ａと、複数の第２の梁部１２０Ｂを製造し、その組み合わせの型を変えるだけで、大きさの異なる開口部を具備する複数のコリメータを容易に製造することができる。図１０においては単純化して記載されているが、第１の梁部１２０Ａと第２の梁部１２０Ｂとが交差する箇所の構造は、適宜設定が可能である。

図２Ａ。２Ｂのような形状のコリメータを安価に製造することが困難である材料を用いた場合でも、上記のような単純な形状の第１の梁部１２０Ａ、第２の梁部１２０Ｂは容易に製造できるために、このコリメータ１２０を容易かつ安価に製造することができる。上記のように、同一の第１の梁部１２０Ａ、第２の梁部１２０Ｂをそれぞれ多数製造した上でその組み合わせの形態を変えてコリメータ１２０を製造することにより、開口部の大きさの異なる複数のコリメータ１２０を特に安価に得ることができる。

図１０Ｂにおいては、コリメータ１３０は、複数の薄板状の第１の梁部１３０Ａと、複数の薄板状の第２の梁部１３０Ｂとが図１０Ａの場合と同様に組み合わせて構成されている。上記のような柱状の第１の梁部１２０Ａ、第２の梁部１２０Ｂを製造することが困難な場合においても、薄板状の第１の梁部１３０Ａ、第２の梁部１３０Ｂは特に容易に製造することができる。このため、このコリメータ１３０は特に安価に得ることができ、特に加工の難しい材料を用いた場合でもこのコリメータ１３０を得ることができる。

また、上記の例では、この中性子光学素子がＲＡＮＳと組み合わされるものとしたが、同様に、大強度陽子加速器Ｊ－ＰＡＲＣ（ＪａｐａｎＰｒｏｔｏｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｍｐｌｅｘ）による陽子線が照射されて中性子を発するターゲットである面光源等に対しても、この中性子光学素子を同様に用いることによって、同様の効果を奏することは明らかである。特に、熱中性子を発する面光源に関しては、この中性子光学素子は有効である。

１、２中性子源
１０中性子面光源
１１Ｂｅ箔
１２中性子減速材（熱中性子発生部）
１３接合材
２０、３０、３１、３２中性子光学素子
２１第１コリメータ（コリメータ）
２１Ａ開口（上流側開口）
２２第２コリメータ（コリメータ）
２２Ａ開口（下流側開口）
２３第３コリメータ（コリメータ）
２３Ａ開口
２５筐体（支持部）
５０検出器
１２０、１３０コリメータ
１２０Ａ、１３０Ａ第１の梁部
１２０Ｂ、１３０Ｂ第２の梁部
Ｆ集光点
Ｎ１~Ｎ５、Ｎ１１、Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｍ１、Ｍ２中性子線
Ｓ１、Ｓ２散乱中性子線
Ｐ陽子ビーム（陽子線）
Ｓ試料

Claims

ビーム状の中性子を発する中性子源であって、
表面から熱中性子線を発する、中性子減速材で構成された板状の熱中性子発生部を具備する中性子面光源と、
前記熱中性子発生部の一方の側の表面から発散するように発せられる中性子線を集光するように前記熱中性子発生部の前記一方の側に固定された中性子光学素子と、を具備し、
前記中性子光学素子は、
中性子吸収体からなる複数の薄板で構成され前記熱中性子発生部の法線方向に沿って貫通する複数の開口が配列されて形成され、前記法線方向に沿った異なる位置に設けられた複数のコリメータと、
複数の前記コリメータを前記法線方向の周囲で固定する筐体と、
を具備し、
複数の前記コリメータの中で前記一方の側と反対の他方の側に設けられた前記コリメータにおける前記開口である上流側開口と、前記一方の側に設けられた前記コリメータにおける前記開口である下流側開口は、同一構成の配列でそれぞれ複数設けられ、
他方の側に設けられた前記コリメータにおける前記上流側開口の各々と、当該上流側開口の各々に対応した前記配列における前記下流側開口の各々とを結ぶ直線が、前記一方の側に設けられた前記コリメータよりも前記一方の側に設定された集光点を通過するように構成され、
最も前記他方の側にある前記コリメータにおける前記開口の周囲における前記中性子吸収体と前記熱中性子発生部とが当接するように、最も前記他方の側にある前記コリメータは前記筐体に固定されると共に、
最も前記他方の側にある前記コリメータ以外の前記コリメータの前記法線方向に沿った位置が調整可能とされることによって、全ての前記コリメータの間の相互の位置関係が調整され、前記法線方向に沿った前記集光点の位置が調整可能とされたことを特徴とする中性子源。
前記コリメータにおいて、複数の前記開口は、並行に設けられた複数の前記薄板からなる第１の梁部と、前記第１の梁部と交差するように並行に設けられた複数の前記薄板からなる第２の梁部と、の組み合わせにより形成されたことを特徴とする請求項１に記載の中性子源。
前記コリメータは、前記法線方向に沿って３つ以上離間して設けられ、３つ以上の前記コリメータの中における隣接する２つの前記コリメータからなる複数の組み合わせに対して、共通の前記集光点が設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の中性子源。
前記下流側開口の開口幅、前記配列において隣接する前記下流側開口の間隔は、それぞれ前記上流側開口の開口幅、前記配列において隣接する前記上流側開口の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記コリメータは、Ｂ_４Ｃ焼結体で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記コリメータは、Ｂ_４Ｃ、Ｇｄ、Ｃｄのいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記筐体は、複数の前記コリメータを、前記法線方向に沿った離間した箇所において、前記法線方向に沿った間隔を固定して支持する支持部を具備し、前記支持部が複数種類準備された中での前記支持部の選択により、あるいは前記コリメータの前記支持部に対する固定位置の調整により、前記法線方向に沿って隣接する前記コリメータの間隔が調整可能とされたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記開口を含んだ形態が同一であり異なる材料で構成された複数の前記コリメータが準備された中で、前記コリメータが選択されて用いられることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記中性子光学素子が真空雰囲気中に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の中性子源。
前記熱中性子発生部に対する前記他方の側に^９Ｂｅで構成された高速中性子発生部が設けられ、前記高速中性子発生部は、前記一方の側に向かって発せられる陽子線で照射される構成とされたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の中性子源。