Development of dynamic nuclear polarization system for small-angle neutron scattering study in JAEA

日本原子力研究開発機構における中性子小角散乱実験用動的核スピン偏極装置の開発

熊田 高之   ; 橋本 竹治; 小泉 智

Kumada, Takayuki; Hashimoto, Takeji; Koizumi, Satoshi

中性子散乱断面積は原子核のスピン偏極度に強く依存する。多成分試料中における特定成分の核スピンを選択的に偏極すると、それが中性子に対するコントラストとなり、その構造を反映した散乱パターンを得ることができる。この手法を多成分からなるソフトマターの中性子小角散乱に適用すれば、各成分間の相関関数を示した部分散乱関数を詳細に決定することができる。動的核スピン偏極(DNP)法は、強磁場・極低温試料中にドープされたラジカル種の電子スピン偏極状態を、ミリ波による二重共鳴を用いて周囲の核スピンに移動させる手法である。従来n成分系試料の構造決定にはn(n-1)種の部分同位体置換試料が必要であったのに対し、DNP法はそれを必要としないことが大きな利点である。しかしながら、核物理実験用に開発された従来のDNP装置があまりに大掛かりでかつ、取扱いが煩雑であったため、ソフトマターの構造研究には非現実的な手法とみなされてきた。発表者らは、スイスのポールシェラー研究所において近年開発された軽量コンパクトなDNP装置をモデルとする、ソフトマター中性子構造解析用DNP装置を新たに製作し、DNP法をソフトマターの構造研究の一手法として広く普及させることを目標とする。

The scattering length of thermal or cold neutrons by proton varies with their relative nuclear-spin orientation, viz. parallel or anti-parallel. If protons in a sub-domain of soft materials are selectively polarized, contrast can be produced in the pattern for small-angle neutron scattering (SANS), which reflect its meso-scale structure. Advantage of this technique is that contrast can be produced without isotope substitution of samples. Moreover, combining contrast variations by spins and isotope substitution, we can determine structures of multiple domain components in complicated materials such as biological systems. The technique of spin-contrast variation by DNP has had a disadvantage, that is, DNP has required large-scale setup. The problem has been overcome by PSI's group. They constructed the DNP system using modern electric devices such as superconducting magnet and miliwave oscillator made of semiconductor devices, which are very compact and easily control nuclear spin polarization. Based on their system, we will develop the compact DNP system designed for SANS study in JAEA.