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論文

Orientation mapping of YbSn$$_{3}$$ single crystals based on Bragg-dip analysis using a delay-line superconducting sensor

宍戸 寛明*; Vu, TheDang*; 相澤 一也; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 奥 隆之; 曽山 和彦; 宮嶋 茂之*; et al.

Journal of Applied Crystallography, 56(4), p.1108 - 1113, 2023/08

Recent progress in high-power pulsed neutron sources has stimulated the development of the Bragg dip and Bragg edge analysis methods using a two-dimensional neutron detector with high temporal resolution to resolve the neutron energy by the time-of-flight method. A delay-line current-biased kinetic inductance detector (CB-KID) is a two-dimensional superconducting sensor with a high temporal resolution and multi-hit capability. Here, it is demonstrated that a delay-line CB-KID with a $$^{10}$$B neutron conversion layer can be applied to high-spatial-resolution neutron transmission imaging and spectroscopy up to 100 eV. Dip structures are observed in the transmission spectra of YbSn$$_{3}$$ single crystals, induced by Bragg diffraction and nuclear resonance absorption. The orientation mapping of YbSn$$_{3}$$ crystals is successfully drawn based on the analysis of observed Bragg dip positions in the transmission spectra.

報告書

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)及び関連設備の現状と高度化戦略

勅使河原 誠; 中村 充孝; 金正 倫計; 曽山 和彦

JAEA-Technology 2021-022, 208 Pages, 2022/02

JAEA-Technology-2021-022.pdf:14.28MB

J-PARCの定格出力1MWの物質・生命科学実験施設において、今後の具体的かつ現実的な高度化戦略を展開するため、線源性能に大きく影響する加速器技術(リニアックおよびRCS)、線源技術、中性子・ミュオン輸送技術、検出技術、そしてそれらが結実する中性子・ミュオン ビーム利用装置等の現状(所期設計値に対する到達度)について整理した。さらに、現状分析に基づき出力増強に向けた改良点等について報告する。

論文

High spatial resolution neutron transmission imaging using a superconducting two-dimensional detector

宍戸 寛明*; 西村 和真*; Vu, TheDang*; 相澤 一也; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 奥 隆之; 曽山 和彦; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 31(9), p.2400505_1 - 2400505_5, 2021/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Engineering, Electrical & Electronic)

中性子イメージングは、重金属に対する高透過性、軽元素に対する高感度、同位体と中性子との特異な核反応による同位体選択性などの中性子ビームの特徴を活かした非破壊検査の有力な手段の一つである。本研究では、超伝導検出器である電流バイアス運動インダクタンス検出器(CB-KID)を用いて、パルス中性子源を用いた飛行時間法による波長分解中性子イメージングを行った。遅延時間型CB-KIDを用いて、GdAl$$_{3}$$単結晶を成長させたGd-Al合金試料の中性子透過像を取得した。その結果、単結晶はAl-Gd合金全体に渡って、形状,分布ともに良好に観察することができた。また、中性子の波長0.03nm以上でGdによる特徴的な中性子の吸収を確認した。さらに、15$$mu$$m$$ times$$ 12$$mu$$mという限られた検出面で、同位体と中性子の核反応によって生じる$$^{155}$$Gd共鳴ディップを観測することができた。また、$$^{155}$$Gdの共鳴ディップを用いてGd選択的イメージングを行ったところ、中性子の波長幅が1pmという限られた範囲で、明確なGd核の元素選択イメージング像を取得することに成功した。

論文

Improved performance of wide bandwidth neutron-spin polarizer due to ferromagnetic interlayer exchange coupling

丸山 龍治; 山崎 大; 青木 裕之; 阿久津 和宏*; 花島 隆泰*; 宮田 登*; 曽山 和彦; Bigault, T.*; Saerbeck, T.*; Courtois, P.*

Journal of Applied Physics, 130(8), p.083904_1 - 083904_10, 2021/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:19.61(Physics, Applied)

Ferromagnetic (FM) interlayer exchange coupling of ion-beam sputtered Fe/Ge multilayers was investigated by off-specular polarized neutron scattering measurements. We observed a monotonously growing correlation of magnetic moments in the out-of-plane direction with decreasing Ge thickness. The results of the Fe/Ge multilayers were used to invoke FM interlayer exchange coupling in a neutron polarizing supermirror in order to extend its bandwidth. Typically, the bandwidth is limited due to a Curie temperature close to room temperature of the thinnest Fe layers with less than 3 nm. We propose a modified layer sequence of the neutron polarizing supermirror, where the minimum Fe thickness was set to 3.5 nm whereas the Ge thickness was reduced. A performance test of the neutron polarizing supermirror showed that the FM interlayer exchange coupling contributed to the presence of the magnetization comparable to the bulk and resulted in a marked extension in the bandwidth.

論文

Practical tests of neutron transmission imaging with a superconducting kinetic-inductance sensor

Vu, TheDang; 宍戸 寛明*; 相澤 一也; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 奥 隆之; 曽山 和彦; 宮嶋 茂之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1006, p.165411_1 - 165411_8, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Instruments & Instrumentation)

We found that the sizes of the Gd islands determined from the transmission image correlated strongly with those determined from the SEM image. We demonstrated the CB-KID could be used to identify (1) tiny voids in a thermally sprayed continuous Gd$$_2$$O$$_3$$ film in and (2) various mosaic morphologies and different eutectic microstructures in Wood's metal samples. The fact that the CB-KID system could be used to identify features of samples with a wide distribution of sizes and thicknesses is promising for real application of the device for imaging samples of interest to material scientists. Operating the CB-KID at higher temperatures appreciably improved the efficiency for simultaneously identifying the X and Y positions of hotspots. We also compared the detection efficiency with the PHITS simulations. We now plan to improve the detection efficiency by increasing the thickness of the $$^{10}$$B neutron conversion layer

論文

Improvement in sputtering rate uniformity over large deposition area of large-scale ion beam sputtering system

丸山 龍治; 山崎 大; 阿久津 和宏*; 花島 隆泰*; 宮田 登*; 青木 裕之; 曽山 和彦

JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011092_1 - 011092_6, 2021/03

中性子偏極スーパーミラーは、熱及び冷中性子ビームを偏極するための光学素子であり、実機への応用には高偏極率であるとともに必要な外部磁場を小さく抑えること、即ち偏極スーパーミラーを構成する磁気多層膜が磁気的にソフトであることが重要である。本発表では、J-PARC MLFの共用ビームラインBL17等を用いて得られた偏極スーパーミラーの高偏極率化、及び磁気多層膜の軟磁性化を目指しこれを構成する多層膜特有の磁気特性の解明に関する成果について議論する。

論文

Homogeneity of neutron transmission imaging over a large sensitive area with a four-channel superconducting detector

Vu, TheDang; 宍戸 寛明*; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 奥 隆之; 曽山 和彦; 相澤 一也; et al.

Superconductor Science and Technology, 34(1), p.015010_1 - 015010_10, 2021/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:30.16(Physics, Applied)

We demonstrated that a four-readout superconducting neutron imaging system shows good spatial heterogeneity and linearity using the delay-line method. We examined the precise pattern of a $$^{10}$$B-dot-array absorber and found the X-direction pitch (Px) = 250.7 um with a scatter of (Hx)= 5.4 um and the Y-direction pitch (Py)= 249.1 um with a scatter of (Hy)= 3.4 um while the $$^{10}$$B dot array was fully extended toward the X direction across the detector sensitive area. We consider that this demonstrates detection with good spatial homogeneity and conclude. The transmission-imaging system is suitable for use at pulsed neutron facilities. We also reported a clear transmission image of tiny screws and nuts, and ladybug (insect). We recognize that further efforts to improve the detection efficiency are necessary to make using the detector more practical.

論文

Energy-resolved neutron imaging using a delay line current-biased kinetic-inductance detector

宍戸 寛明*; 西村 和真*; Vu, TheDang*; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 日高 睦夫*; 奥 隆之; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1590, p.012033_1 - 012033_8, 2020/10

We demonstrate the development of an energy resolved neutron transmission imaging system via a solid-state superconducting detector, called current-biased kinetic-inductance detector (CB-KID). CB-KIDs comprise X and Y superconducting Nb meanderlines with Nb ground plane and a $$^{10}$$B conversion layer, which converts a neutron to two charged particles. CB-KID uses the delay-line method, and allows us to reconstruct the two-dimensional neutron transmission image of a test sample with four signal readout lines. We examined the capability of high spatial and energy (wavelength) resolved neutron transmission imaging over the sensor active area of 15 $$times$$ 15 mm$$^{2}$$ for various samples, including biological and metal ones. We also demonstrated the capability for the Bragg edge transmission and an energy-resolved neutron image in which stainless-steel specimens were discriminating from other specimens.

論文

Fine-structure analysis of perhydropolysilazane-derived nano layers in deep-buried condition using polarized neutron reflectometry

阿久津 和宏*; 吉良 弘*; 宮田 登*; 花島 隆泰*; 宮崎 司*; 笠井 聡*; 山崎 大; 曽山 和彦; 青木 裕之

Polymers (Internet), 12(10), p.2180_1 - 2180_10, 2020/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:7.56(Polymer Science)

A large background scattering originating from the sample matrix is a major obstacle for fine-structure analysis of a nanometric layer buried in a bulk material. As polarization analysis can decrease undesired scattering in a neutron reflectivity (NR) profile, we performed NR experiments with polarization analysis on a polypropylene (PP)/perhydropolysilazane-derived SiO$$_{2}$$ (PDS)/Si substrate sample, having a deep-buried layer of SiO$$_{2}$$ to elucidate the fine structure of the nano-PDS layer. This method offers unique possibilities for increasing the amplitude of the Kiessig fringes in the higher scattering vector (Qz) region of the NR profiles in the sample by decreasing the undesired background scattering. Fitting and Fourier transform analysis results of the NR data indicated that the synthesized PDS layer remained between the PP plate and Si substrate with a thickness of approximately 109 ${AA}$;. Furthermore, the scattering length density of the PDS layer, obtained from the background subtracted data appeared to be more accurate than that obtained from the raw data. Although the density of the PDS layer was lower than that of natural SiO$$_{2}$$, the PDS thin layer had adequate mechanical strength to maintain a uniform PDS layer in the depth-direction under the deep-buried condition.

論文

Kinetic inductance neutron detector operated at near critical temperature

Vu, TheDang; 西村 和真*; 宍戸 寛明*; 原田 正英; 及川 健一; 宮嶋 茂之*; 日高 睦夫*; 奥 隆之; 曽山 和彦; 相澤 一也; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1590, p.012036_1 - 012036_9, 2020/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01

Our CB-KID neutron imager detects high spatial resolution neutrons transmission images by using a delay-line technique. We found that the number of events was remarkably increased with increasing the detector temperature until close to the critical temperature Tc. We investigated the properties of CB-KID at near Tc. We observed systematic changes of neutron signals as a function of the detector temperature from 4 K to Tc. The simulations modeled the sequential physical processes for $$^{10}$$B(n,$$alpha$$)$$^{7}$$Li reactions and energy deposition by particles within CB-KID, including neutrons, $$^{4}$$He particles, $$^{7}$$Li particles, photon and electron transport.

論文

Energy-resolved neutron imaging with high spatial resolution using a superconducting delay-line kinetic inductance detector

飯澤 侑貴*; 宍戸 寛明*; 西村 和真*; Vu, TheDang*; 小嶋 健児*; 小山 富男*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 日高 睦夫*; et al.

Superconductor Science and Technology, 32(12), p.125009_1 - 125009_8, 2019/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:57.6(Physics, Applied)

Neutron imaging is one of the key technologies for non-destructive transmission testing. Recent progress in the development of intensive neutron sources allows us to perform energy-resolved neutron imaging with high spatial resolution. We have been developing a neutron imager aiming at conducting high spatial and temporal resolution imaging based on a delay-line neutron detector, called the current-biased kinetic-inductance detector, with a conversion layer $$^{10}$$B. The detector allowed us to obtain a neutron transmission image with four signal readout lines. Herein, we expanded the sensor active area, and improved the spatial resolution of the detector. We examined the capability of high spatial resolution neutron imaging over the sensor active area of 15 $$times$$ 15 mm$$^{2}$$ for various samples, including biological and metal ones. We also demonstrated an energy-resolved neutron image in which stainless-steel specimens were discriminating of other specimens with the aid of the Bragg edge transmission.

論文

Temperature dependent characteristics of neutron signals from a current-biased Nb nanowire detector with $$^{10}$$B converter

Vu, TheDang; 飯澤 侑貴*; 西村 和真*; 宍戸 寛明*; 小嶋 健児*; 及川 健一; 原田 正英; 宮嶋 茂之*; 日高 睦夫*; 奥 隆之; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 1293, p.012051_1 - 012051_9, 2019/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:93.79

We succeeded in designed and fabricated a neutron detector by using a superconducting current-biased kinetic inductance detector (CB-KID), which is constructed by two perpendicular Nb-based superconducting meander-lines and an enriched $$^{10}$$B neutron conversion layer. We rebuilt completely a neutron image of a $$^{10}$$B dot array contain in the stainless-steel mesh. To improve the resolution of neutron images, the characteristics of a superconducting neutron detector have been studied carefully. In this study, we present the dependence of neutron signals in the temperature of detector. We found that when the temperature of a neutron detector is as close as the critical temperature of superconductivity, the intensity of signal increase as a function of temperature. We consider that the ratio of noise and signal is decrease which is very useful to improve the resolution of neutron images.

論文

Coherent magnetization rotation of a layered system observed by polarized neutron scattering under grazing incidence geometry

丸山 龍治; Bigault, T.*; Saerbeck, T.*; Honecker, D.*; 曽山 和彦; Courtois, P.*

Crystals (Internet), 9(8), p.383_1 - 383_13, 2019/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.33(Crystallography)

中性子偏極スーパーミラーを偏極中性子散乱測定に用いる際には、試料の磁化や中性子ビームの偏極率への影響を小さく抑えるために、これを構成する多層膜が磁気的にソフトであることが重要である。これらの多層膜は交換結合長(数十nm)よりも小さい結晶粒から構成され、磁気特性はバルクとは異なり隣り合うスピン間での交換相互作用による結晶磁気異方性の平均化(ランダム異方性モデル)によって理解される。本研究では、多層膜の面内磁気構造の磁場依存性を斜入射偏極中性子散乱を用いて観察することにより、我々の系が本モデルに従うかどうかに関する検証を行った。実験によって得られた散乱データは歪曲波ボルン近似による散乱強度分布シミュレーションにより解析され、磁化の方向が揃った領域は0.5$$sim$$1.1$$mu$$m程度の範囲内で磁化の反転過程において大きく変化しないという結果が得られた、これは、磁化の過程がバルクで見られる磁壁の形成と移動ではなくコヒーレントな磁気モーメントの回転によることを意味する。今後は、このモデルの適応範囲等について研究を進め、多層膜の磁気特性を支配するメカニズムに関する理解を深めることが重要である。

論文

Effect of the interface roughness correlation on the reflectivity in a neutron multilayer mirror

丸山 龍治; 山崎 大; 曽山 和彦

JPS Conference Proceedings (Internet), 22, p.011011_1 - 011011_5, 2018/11

J-PARC MLFの中性子ビーム利用の高度化のため、高性能中性子スーパーミラーの開発を進めている。中性子源から試料位置まで中性子スーパーミラーガイドや集光スーパーミラー等による中性子ビーム輸送の高効率化には、スーパーミラーの反射率が高いことが重要である。これまで我々が進めてきた研究において、スーパーミラーの界面粗さの面内相関が小さく面間の相関が大きい多層膜により、集光系を構成する際に試料位置周辺でのバックグラウンドとなる散漫散乱が小さく抑えられることがわかった。本研究では、スーパーミラーを構成する多層膜界面の面内及び面間の相関が反射率に与える影響を歪曲波ボルン近似を用いた反射率シミュレーションにより調べた。その結果、異なる界面間で粗さの相関が大きい場合ブラッグ反射ピークにおいて反射率が減少することがわかり、多層膜からの反射率計算において界面粗さの面間の相関を考慮することの重要性が示された。

論文

Development of high-polarization Fe/Ge neutron polarizing supermirror; Possibility of fine-tuning of scattering length density in ion beam sputtering

丸山 龍治; 山崎 大; 阿久津 和宏*; 花島 隆泰*; 宮田 登*; 青木 裕之; 武田 全康; 曽山 和彦

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 888, p.70 - 78, 2018/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:30.9(Instruments & Instrumentation)

イオンビームスパッタ法で成膜されたFe/Si及びFe/Ge多層膜に対して、X線及び偏極中性子反射率、走査型透過電子顕微鏡と組み合わされたエネルギー分散型X線分光分析等のプローブによって層構造や局所元素分析を行った。その結果、Fe/Ge多層膜のGe層に含まれたスパッタリングガスであるArが含まれることにより、Ge層の散乱長密度が減少し、(-)スピンの中性子に対するFeとGeの散乱長密度のコントラストがほぼ消失し偏極中性子反射において高偏極率となることがわかった。Ge層に含まれるArは、成膜時においてAeがGeターゲットで後方散乱することに起因することが知られており、偏極スーパーミラーの高偏極率化に必要な(-)スピン中性子に対する散乱長密度コントラストを微調整する新たな手法となる可能性を示すものである。この結果を基に、Niの5倍の全反射臨界角をもつFe/Ge偏極スーパーミラーを成膜し偏極反射率測定を行った結果、(+)スピン中性子の反射率が0.70以上、偏極率はビームラインの偏極性能が正しく補正されている領域においては0.985以上という高い偏極率を達成した。

論文

Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 2; Neutron scattering instruments

中島 健次; 川北 至信; 伊藤 晋一*; 阿部 淳*; 相澤 一也; 青木 裕之; 遠藤 仁*; 藤田 全基*; 舟越 賢一*; Gong, W.*; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(3), p.9_1 - 9_59, 2017/12

J-PARC物質・生命科学実験施設の中性子実験装置についてのレビューである。物質・生命科学実験施設には23の中性子ビームポートがあり21台の装置が設置されている。それらは、J-PARCの高性能な中性子源と最新の技術を組み合わせた世界屈指の実験装置群である。このレビューでは、装置性能や典型的な成果等について概観する。

論文

Materials and Life Science Experimental Facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 3; Neutron devices and computational and sample environments

坂佐井 馨; 佐藤 節夫*; 瀬谷 智洋*; 中村 龍也; 藤 健太郎; 山岸 秀志*; 曽山 和彦; 山崎 大; 丸山 龍治; 奥 隆之; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(2), p.10_1 - 10_35, 2017/09

J-PARC物質・生命科学実験施設では、中性子検出器、スーパーミラーや$$^{3}$$Heスピンフィルターなどの光学機器、及びチョッパー等の中性子デバイスが開発され、据え付けられている。また、計算環境として機器制御、データ取得、データ解析、及びデータベースの4つのコンポーネントが整備されている。また、物質・生命科学実験施設では実験に使用される様々な試料環境が利用可能である。本論文では、これらの現状について報告する。

論文

Accessible length scale of the in-plane structure in polarized neutron off-specular and grazing-incidence small-angle scattering measurements

丸山 龍治; Bigault, T.*; Wildes, A. R.*; Dewhurst, C. D.*; Saerbeck, T.*; Honecker, D.*; 山崎 大; 曽山 和彦; Courtois, P.*

Journal of Physics; Conference Series, 862(1), p.012017_1 - 012017_6, 2017/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:90.55

中性子偏極スーパーミラーを偏極中性子散乱測定に用いる際には、試料の磁化や中性子ビームの偏極率への影響を小さく抑えるために、これを構成する多層膜が磁気的にソフトであることが重要である。これらの多層膜は交換結合長(数十nm)よりもサイズの小さい結晶粒から構成され、磁気特性はバルクとは異なり隣り合うスピン間での交換相互作用による結晶磁気異方性の平均化(ランダム異方性モデル)によって理解される。本研究では、磁化の過程における多層膜の面内磁気構造を偏極中性子非鏡面反射及び斜入射小角散乱を用いて測定し、散乱データの歪曲波ボルン近似による散乱強度分布シミュレーションを行うことにより面内方向の長さスケールの異なる非鏡面反射と斜入射小角散乱で得られたデータの比較を行った。本発表では2つの散乱手法の特徴や適応可能な面内構造の長さスケールの範囲に関する議論を行う。

論文

Silver photo-diffusion and photo-induced macroscopic surface deformation of Ge$$_{33}$$S$$_{67}$$/Ag/Si substrate

坂口 佳史*; 朝岡 秀人; 魚住 雄輝; 近藤 啓悦; 山崎 大; 曽山 和彦; Ailavajhala, M.*; Mitkova, M.*

Journal of Applied Physics, 120(5), p.055103_1 - 055103_10, 2016/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:47.59(Physics, Applied)

Ge-chalcogenide films show various photo-induced changes, and silver photo-diffusion is one of them which attracts lots of interest. In this paper, we report how silver and Ge-chalcogenide layers in Ge$$_{33}$$S$$_{67}$$/Ag/Si substrate stacks change under light exposure in the depth by measuring time-resolved neutron reflectivity. It was found from the measurement that Ag ions diffuse all over the matrix Ge$$_{33}$$S$$_{67}$$ layer once Ag dissolves into the layer. We also found that the surface was macro-scopically deformed by the extended light exposure. Its structural origin was investigated by a scanning electron microscopy.

論文

Processes of silver photodiffusion into Ge-chalcogenide probed by neutron reflectivity technique

坂口 佳史*; 朝岡 秀人; 魚住 雄輝; 川北 至信; 伊藤 崇芳*; 久保田 正人; 山崎 大; 曽山 和彦; Sheoran, G.*; Mitkova, M.*

Physica Status Solidi (A), 213(7), p.1894 - 1903, 2016/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:34.55(Materials Science, Multidisciplinary)

アモルファスGeカルコゲナイド/銀の界面において光を照射すると拡散が促進される。非破壊かつ時間分解で観測できるJ-PARC(写楽)の中性子反射率測定を用いて、光照射によってAgが初期の急速な拡散から緩やかな拡散と2段階のプロセスを経て、界面の拡散層が形成されている様子を捉えた。

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