中性子磁気能率と磁場勾配の相互作用を用いた中性子ビーム操作

Neutron beam manipulation utilizing spin magnetic dipole moment

不破 康裕   ; 岩下 芳久*; 栗山 靖敏*; 山田 雅子*; 広田 克也*; 北口 雅暁*; 清水 裕彦*

Fuwa, Yasuhiro; Iwashita, Yoshihisa*; Kuriyama, Yasutoshi*; Yamada, Masako*; Hirota, Katsuya*; Kitaguchi, Masaaki*; Shimizu, Hirohiko*

中性子はスピンに随伴する磁気能率を有するため、磁場の勾配との相互作用により力を受ける。この力の向きは磁場勾配ベクトルの向きと一致し、スピンの向きに応じて逆方向に力が働く。この力を活用することにより中性子ビームを操作することができる。ビーム軸に対して横方向に磁場勾配を設けるとビームが偏向作用をうける。したがって、6極磁石を用いて磁場を発生させるとビーム軸中心からの距離に比例して磁場勾配が変化するため、レンズと同様の作用を生じ、中性子ビームを集束させることができる。また、永久磁石を平面上にハルバッハ配列で並べて面の法線方向に一様に磁場勾配を発生させることで、中性子ビームの反射壁が形成でき、これをダクト状に組み合わせることでガイド管とすることができる。ビーム軸に対して縦方向に磁場勾配を配置すると中性子のエネルギーを変化させることができる。このエネルギーの変化は中性子がただ通過した場合はその積分値がゼロとなるが、磁場勾配中でスピンを反転させると反転させた場所の磁束密度に対応するエネルギーで中性子ビームを加減速することができる。これを応用することで中性子ビームの空間的な集群やエネルギー変調が可能となる。本発表では、中性子ビーム操作のために開発している機器の原理と構成、および今後計画している実験を概説し、それらの応用可能性を議論する。

Since neutrons have a spin magnetic moment, they are subject to a force due to their interaction with the magnetic field gradient. The direction of this force coincides with the direction of the magnetic field gradient vector, and the force acts in the opposite direction depending on the direction of the spin. By utilizing this force, the neutron beam can be manipulated. If the magnetic field gradient is transverse to the beam axis, the beam is deflected. Therefore, if a sextupole magnet is used to generate a magnetic field, the magnetic field gradient changes in proportion to the distance from the center of the beam axis, which causes the same effect as a lens, and the neutron beam can be focused. In addition, by arranging permanent magnets in a Halbach array on a plane and generating a uniform magnetic field gradient in the direction normal to the plane, a neutron beam reflecting wall can be formed, which can be combined in a duct-like configuration to form a guide tube. The magnetic field gradient in the longitudinal direction relative to the beam axis can change the energy of the neutrons. The integral value of this energy change is zero if the neutrons just pass through, but if the spins are flipped in the magnetic field gradient, the neutron beam can be accelerated or decelerated with the energy corresponding to the magnetic flux density at the flipped location. By applying this technique, spatial focusing and energy modulation of neutron beams are possible. In this presentation, the principle and configuration of the instruments we are developing for neutron beam manipulation and the planned experiments are described, and their potential applications are discussed.