研究紹介

量子ビーム応用:中性子を作る、集める、そして中性子で見る、治す

応用量子ビーム工学講座
量子ビームシステム工学研究室

中性子で何ができるか

中性子は、物質の原子レベルでの構造や運動状態の研究に欠くことができない粒子であり、その独特の特性を利用した物質研究(新材料開発や生体物質機能解明など)や工業への利用(ロケット部品の製品検査や原子力製品の残留応力解析など)が、今、まさに大きく発展しようとしています。この様な状況のもと、本研究室では、加速器を用いた中性子の発生、制御、利用(中性子散乱実験)に関する研究をしています。

研究内容

中性子を発生する(大強度陽子加速器中性子源計画関係)

中性子が重要との認識に立ち、陽子加速器を使った世界最高性能の加速器中性子源が、現在、高エネルギー加速器研究機構(KEK)と原研の共同で建設されています。図1には建設中の加速器施設の構成と、その中での中性子施設(物質生命科学実験施設)を示します。本研究室は、この計画に参画し、心臓部である中性子減速材システムの開発研究、中性子実験装置の開発を行っています。北大は世界で唯一実験ができる場所であり、シミュレーション計算も駆使して、世界最高性能のものをつくるために研究を進めています。

図1 大強度陽子加速器施設J-PARC
図1 大強度陽子加速器施設J-PARC

中性子を集束する

中性子ビームは、簡単に曲げたり方向を揃えたりすることができません。これを自由にできるようにすることは、これまでできなかった実験を可能にするのでとても重要です。我々は磁場によって中性子を曲げられることを、初めて実証しました。これは中性子磁気レンズと呼ばれ、中性子顕微鏡などへの道を拓く新しい方法です。

中性子で見る

中性子では水素を含んだ物質を特によく調べることができます。その一つとして、現在、エネルギー源としても注目されているメタンハイドレートの運動状態の研究も行っています。構造は図2に示すようで、氷の篭のなかにメタンが入ったものです。この散乱強度を測定した結果が図3で、赤くなっているところは、メタンの回転しているときのエネルギーに対応します。この結果からメタンがくるくると自由に回っているのが分かりました。そのほか、まだ未知の部分の多い液体や非晶質の運動や構造の解析、また、中性子透過法によって非破壊的に物質の内部を見る方法(中性子ラジオグラフィー)の新手法の開発も行っている。

これらの研究は、高エネルギー加速器研究機構、日本原子力研究所、理化学研究所やイギリス、アメリカの研究所とも共同で進められている。


図2


図3

量子ビームの医療応用

陽子や中性子はガンの治療にも用いられる。そのための中性子源の研究や陽子線治療における陽子線効果に関する研究も行っている。