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明午 伸一郎; 山口 雄司; 岩元 大樹
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.32 - 37, 2024/10
宇宙機器の開発において必要な400MeV以上の陽子が供給が可能な加速器施設は世界的に少なく、国内ではJ-PARCが唯一となる。しかし、J-PARCでは二次粒子を安定に継続する必要があるため、試験装置を加速器の真空槽に設置することは困難となる。J-PARCで進めている「陽子ビーム照射施設」により試験を進める計画としている。本施設ではLINACの400MeV H
ビームから、レーザーにより微弱な陽子ビームを取り出し、デグレーダにより利用者が要求するエネルギーの陽子を供給する予定となる。本報ではこの施設の詳細について報告する。また、宇宙開発での陽子利用は極めて高く、宇宙航空研究開発機構(JAXA)および情報通信研究機構(NICT)では、衛星搭載の宇宙線センサーにおける試験の強い要求があった。しかし、加速器を安定に運転させる必要があるため、真空槽に試験装置を組み込むのは困難となり、さらに試験で必要な微弱なビームを得るのは困難となる。我々はビーム窓の散乱による陽子を利用する方法を開発し、JAXAおよびNICTとセンサーの試験を開始した。陽子ビーム散乱のデータは加速器において重要なデータとなるもののデータはほとんど存在しないため、この測定を開始した。
Li, B.*; 川北 至信
革新的冷却技術; メカニズムから素子・材料・システム開発まで, p.19 - 28, 2024/01
専門書として出版を予定している「革新的冷却技術; メカニズムから素子・材料・システム開発まで」の第一章 各種冷却のメカニズム、の第1節として、柔粘性結晶の圧力熱量効果の解説を寄稿した。(1)柔粘性結晶とは?、(2)さまざまな熱量効果と圧力熱量効果、(3)NPGの巨大熱量効果、(4)中性子散乱による圧力熱量効果の検証、(4.1)中性子散乱、(4.2) QENS、(4.3)NPGのQENS測定結果、(5)柔粘性結晶の巨大熱量効果、(5.1)ネオペンタンとその由来物質、(5.2)アダマンタンとその由来物質、(5.3)クロソボランとその由来物質、(5.4)無機柔粘性結晶、(6)圧力熱量効果を固体冷媒として利用した冷却技術
Lloveras, P.*; Zhang, Z.*; Zeng, M.*; Barrio, M.*; 川北 至信; Yu, D.*; Lin, S.*; Li, K.*; Moya, X.*; Tamarit, J.-L.*; et al.
Barocaloric Effects in the Solid State; Materials and methods, p.7_1 - 7_30, 2023/10
被引用回数：232 パーセンタイル：99.37(Multidisciplinary Sciences)「固体状態における圧力熱量効果」と題する電子ブックの第一章として、様々な柔粘性結晶が紹介されている。柔粘性結晶における圧力熱量反応を決定する方法、その熱力学的な起源、中性子準弾性散乱からの分光学的洞察、柔粘性結晶の応用などが解説されている。
廣田 夕貴*; 富永 大輝*; 川端 隆*; 川北 至信; 松尾 康光*
Bioengineering (Internet), 10(5), p.622_1 - 622_17, 2023/05
被引用回数：3 パーセンタイル：38.63(Biotechnology & Applied Microbiology)Recently, it was reported that chitin and chitosan exhibited high-proton conductivity and function as an electrolyte in fuel cells. In particular, it is noteworthy that proton conductivity in the hydrated chitin becomes 30 times higher than that in the hydrated chitosan. Since higher proton conductivity is necessary for the fuel cell electrolyte, it is significantly important to clarify the key factor for the realization of higher proton conduction from a microscopic viewpoint for the future development of fuel cells. Therefore, we have measured proton dynamics in the hydrated chitin using quasi-elastic neutron scattering (QENS) from the microscopic viewpoint and compared the proton conduction mechanism between hydrated chitin and chitosan. QENS results exhibited that a part of hydrogen atoms and hydration water in chitin are mobile even at 238 K, and the mobile hydrogen atoms and their diffusion increase with increasing temperature. It was found that the diffusion constant of mobile protons is two times larger and that the residence time is two times in chitin faster than that in chitosan. In addition, it is revealed from the experimental results that the transition process of dissociable hydrogen atoms between chitin and chitosan is different. To realize proton conduction in the hydrated chitosan, the hydrogen atoms of the hydronium ions (H
O
) should be transferred to another hydration water. By contrast, in hydrated chitin, the hydrogen atoms can transfer directly to the proton acceptors of neighboring chitin. It is deduced that higher proton conductivity in the hydrated chitin compared with that in the hydrated chitosan is yielded by the difference of diffusion constant and the residence time by hydrogen-atom dynamics and the location and number of proton acceptors.
dynamics in the H conductors LaH
O
玉造 博夢; 福井 慧賀*; 飯村 壮史*; 本田 孝志*; 多田 朋史*; 村上 洋一*; 山浦 淳一*; 倉本 義夫*; 佐賀山 基*; 山田 武*; et al.
Physical Review B, 107(18), p.184114_1 - 184114_8, 2023/05
被引用回数：1 パーセンタイル：12.23(Materials Science, Multidisciplinary)Using an incoherent quasi-elastic neutron scattering (QENS) technique, we investigate H dynamics in a series of oxyhydrides LaHO that exhibit characteristic high H conductivity. In the end member LaH (
= 0), two kinds of H dynamics are identified: the jump diffusion and the localized motion. The jump length in the jump diffusion mode increases with increasing 
. The localized motion is identified as a jump between the two inequivalent sites. These dynamics are corroborated by our molecular dynamical simulations. Our QENS data suggest that similar H dynamics occurs also in oxyhydrides LaHO ( 
0), whose H concentration dependence is consistent with the previous measurement of ionic conductivity. We also discuss the possibility that LaHO is an example of H ion conductors governed by the concerted migration mechanism. The identified H dynamics is a key to understanding the anomalous hydrogen concentration dependence of the diffusion coefficient in lanthanum hydrides, which has been a longstanding mystery in this compound.
廣田 夕貴*; 富永 大輝*; 川端 隆*; 川北 至信; 松尾 康光*
Bioengineering (Internet), 9(10), p.599_1 - 599_17, 2022/10
被引用回数：3 パーセンタイル：22.64(Biotechnology & Applied Microbiology)Chitosan, which is an environmentally friendly and highly bio-producible material, is a potential proton-conducting electrolyte for use in fuel cells. Thus, to microscopically elucidate proton transport in hydrated chitosan, we employed the quasi-elastic neutron scattering (QENS) technique. QENS analysis showed that the hydration water, which was mobile even at 238 K, moved significantly more slowly than the bulk water, in addition to exhibiting jump diffusion. Furthermore, upon increasing the temperature from 238 to 283 K, the diffusion constant of water changed increased from 
to 
cm
/s. It was also found that a portion of the hydrogen atoms in chitosan undergo a jump-diffusion motion similar to that of the hydrogen present in water. Moreover, QENS analysis revealed that the activation energy for the jump-diffusion of hydrogen in chitosan and in the hydration water was 0.30 eV, which is close to the value of 0.38 eV obtained from the temperature-dependent proton conductivity results. Overall, it was deduced that a portion of the hydrogen atoms in chitosan dissociate and protonate the interacting hydration water, resulting in the chitosan exhibiting proton conductivity.
古池 美彦*; Ouyang, D.*; 富永 大輝*; 松尾 龍人*; 向山 厚*; 川北 至信; 藤原 悟*; 秋山 修志*
Communications Physics (Internet), 5(1), p.75_1 - 75_12, 2022/04
被引用回数：7 パーセンタイル：63.47(Physics, Multidisciplinary)Circadian clock proteins often reveal temperature-compensatory responses that counteract temperature influences to keep their enzymatic activities constant over a physiological range of temperature. This temperature-compensating ability at the reaction level is likely crucial for circadian clock systems, to which the clock proteins are incorporated, to achieve the system-level temperature compensation of the oscillation frequency. Nevertheless, temperature compensation is yet a puzzling phenomenon, since side chains that make up the clock proteins fluctuate more frequently due to greater thermal energy at higher temperature. Here, we investigated temperature influences on the dynamics of KaiC, a temperature-compensated enzyme (ATPase) that hydrolyzes ATP into ADP in the cyanobacterial circadian clock system, using quasielastic neutron scattering. The frequency of picosecond to subnanosecond incoherent local motions in KaiC was accelerated by a factor of only 1.2 by increasing the temperature by 10
C. This temperature insensitivity of the local motions was not necessarily unique to KaiC, but confirmed also for a series of temperature-sensitive mutants of KaiC and proteins other than clock-related proteins. Rather, the dynamics associated with the temperature-compensatory nature of the reaction- and system-level was found in global diffusional motions, which was suggested to regulate the temperature dependence of ATPase activity and dephosphorylation process presumably through changes in the hexamer conformation of KaiC. The spatiotemporal scale at which cross-scale causality of the temperature sensitivity is established is finite, and extends down to picosecond to subnanosecond dynamics only in a very limited part of KaiC, not in its entire part.
服部 高典; 河村 聖子; 川崎 卓郎
High Pressure Research, 42(2), p.226 - 235, 2022/00
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)約1GPaまでの準弾性中性子散乱実験(QENS)のためのハイブリッドピストンシリンダーセルを開発した。このセルは、高張力鋼(SNCM439)のライナーとAl合金(NA700)のジャケットで構成される押し嵌めシリンダーからなる。性能試験の結果、0.8GPaの圧力に耐えることができ、3.14meV(波長5.10
)の中性子透過率が従来のCuBeモノブロックシリンダーの4.4倍であることが確認された。多重散乱を抑制するために考案したサンプルアセンブリと組み合わせることで、0.8GPaまでの水の高品質なQENSスペクトルを得ることができた。本研究は、ハイブリッドシリンダーが最大発生圧力を増大させるためだけでなく、発生圧力や信号強度を実験の目的に応じて調整するのに有効であることを示している。
富永 大輝*; 佐原 雅恵*; 川北 至信; 中川 洋; 山田 武*
Journal of Applied Crystallography, 54(6), p.1631 - 1640, 2021/12
被引用回数：6 パーセンタイル：57.51(Chemistry, Multidisciplinary)For quasi-elastic neutron scattering (QENS) studies, sample cells made of pure or alloyed aluminum are frequently employed. Although the Al surface is protected by a passivating film, this film is not robust. Therefore, when the sample is an aqueous solution, chemical interactions between the Al surface and sample, promoted by corrosive entities such as chloride ions and certain conditions of pH, can compromise the integrity of the cell and interfere with the experiment. In this study, the corrosion susceptibilities of Al and its alloys were investigated by subjecting them to various treatments; the results were compared with those of other candidate materials with low chemical reactivity. This work showed that alloys with higher Al content and boehmite-coated surfaces are resistant to corrosion. In particular, for Al, the resistance is due to a reduction in the contact area achieved by reducing the surface roughness. QENS measurements of empty sample cells made of these materials revealed two results: (1) the profile of the cell fabricated with a copper-free Al alloy showed a minor dependence on the scattering vector magnitude 
and (2) reducing the real surface area of Al effectively suppresses its scattering intensity, while boehmite coating strengthens the scattering. Cells fabricated with Mo, Nb and single-crystal sapphire can be used as alternatives to Al because of their low scattering intensity and reduced dependence on .
Li
TiO (x = 0.13) studied by quasielastic neutron scattering松浦 直人*; 藤原 靖幸*; 森分 博紀*; 尾原 幸治*; 川北 至信
Physical Review B, 104(9), p.094305_1 - 094305_7, 2021/09
被引用回数：9 パーセンタイル：46.19(Materials Science, Multidisciplinary)Quasielastic neutron scattering (QENS) measurements combined with first principles based molecular dynamics calculations were conducted to study the dynamics of Li ions in a solid-state electrolyte LaLiTiO (LLTO) with 
. By using a large 
Li-enriched single crystal sample, a QENS signal was clearly observed along the three principal axes [110], [111], and [001] at a temperature () of 600 K. Wave vector dependence of the linewidth of the QENS signal along each direction was explained well using the Chudley-Elliot model for jumps between the A sites of the perovskite lattice through the bottleneck square, which was also supported by molecular dynamics calculations. The estimated self-diffusion coefficient of Li (
) in the ab plane was slightly larger than that along the c axis, suggesting quasi-isotropic diffusion, that is, the three-dimensional diffusion of Li ions. The decrease in with decreasing was reasonably explained by a thermal activation process with the activation energy determined from ionic-conductivity measurements. Furthermore, the estimated values of the self-diffusion coefficient are comparable to those in the sulfide-based Li ion conductor, Li
PS
, with 10 times larger ionic conductivity, which clarifies how to understand the Li conduction mechanism in LLTO and LiPS in a unified manner.
川北 至信; 菊地 龍弥*; 田原 周太*; 中村 充孝; 稲村 泰弘; 丸山 健二*; 山内 康弘*; 河村 聖子; 中島 健次
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011071_1 - 011071_6, 2021/03
ヨウ化銅は高温固相で、ヨウ素イオンが作る面心立方格子の隙間を銅イオンが動く超イオン伝導体になることで知られている。溶融相でも、集団的あるいは協調的なイオンの運動を示す特徴がある。MDシミュレーションにおいて、銅イオンの拡散がヨウ素イオンより非常に速いこと分かっている。Cu-Cu部分構造因子にはFSDPと呼ばれる構造を持ち、銅の分布に中距離秩序があることを示している。さらに、Cu-Cu部分二体分布関数は、Cu-Iで形成される最近接分布に深く入り込んでいる。そうした溶融CuIの異常的振る舞いの原因を解明するために、J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置されたディスクチョッパー分光器AMATERASを用いて、中性子準弾性散乱(QENS)実験を行った。構造可干渉性のQENSから得られた動的構造因子を理解するため、モード分布解析を行った。その結果、ヨウ素イオンの運動が局所的に閉じ込められた空間で揺らぐような運動であること、一方銅イオンはヨウ素イオンより速く拡散する運動をしていることが分かった。
川北 至信; 菊地 龍弥*
波紋, 29(2), p.91 - 94, 2019/05
ビスマスは結晶相ではパイエルス歪に基づいた二重層状構造を有する。液相では、単純な充填モデルでは解釈できない複雑な静的構造を示し、パイエルス歪が液体中にも残っているのではないかと考えられてきた。我々は、J-PARC物質・生命科学実験施設に設置されたBL14アマテラス分光器を用いて液体Biの中性子準弾性散乱(QENS)を測定し、そのコヒーレントQENSを解析した。時空相関関数から、長距離側に肩構造をもつ最近接分布が4つの成分からなり、30ピコ秒程度の長い緩和時間を示す長短2種類の相関と、ピコ秒以下の短い緩和時間をもつ中間的な距離の相関および最も長い距離をもつ相関があることが分かった。このことは、液体Bi中に層状構造が存在する直接的な証拠になる。本記事では、上記の成果とともに、時空相関関数によってコヒーレントQENSを解析する手法について報告している。
古府 麻衣子; Faraone, A.*; Tyagi, M.*; 長尾 道弘*; 山室 修*
Physical Review E, 98(4), p.042601_1 - 042601_6, 2018/10
被引用回数：7 パーセンタイル：49.04(Physics, Fluids & Plasmas)We report on incoherent quasielastic neutron scattering measurements examining a self-diffusion process in two types of glass-forming liquids, namely a molecular liquid (3-methylpentane) and an ionic liquid (1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide). We have experimentally demonstrated that both liquids exhibit two crossovers in the momentum transfer () dependence of the self-correlation function, which is basically described by the stretched exponential function, ![$$exp [-(t/tau)^beta]$$](/search/images/EROGK4DQEBNS0KDUF3OHIYLVFFPFYYTFORQV0JA.gif)
. The first crossover point (
~
) corresponds to a crossover from Fickian (
) to non-Fckian (
) diffusion attributed to dynamical correlation. On the other hand, the second one at 
~ is associated with the crossover from Gaussian to non-Gaussian behavior. It is remarkable that the stretching exponent 
gradually changes in between the two crossover points. We consider that the two crossovers are the universal feature for glass-forming liquids.
田中 泰貴*; 成清 義博*; 森田 浩介*; 藤田 訓裕*; 加治 大哉*; 森本 幸司*; 山木 さやか*; 若林 泰生*; 田中 謙伍*; 武山 美麗*; et al.
Journal of the Physical Society of Japan, 87(1), p.014201_1 - 014201_9, 2018/01
被引用回数：23 パーセンタイル：75.95(Physics, Multidisciplinary)ガス充填型反跳生成核分離装置GARISを用いて
Ca + 
Pb, 
Ti + Pb, Ca + 
Cm反応系における準弾性散乱断面積の励起関数を測定した。これらのデータから融合障壁分布を導出し、チャンネル結合計算と比較した。Ca + Pb及びTi + Pb反応の障壁分布のピークエネルギーはそれらの反応系における2中性子蒸発断面積のピークエネルギーと良く一致し、一方Ca + Cm反応の障壁分布のピークエネルギーは4中性子蒸発断面積のピークエネルギーより少し下に現れることが判った。この結果は超重核合成の際の最適ビームエネルギーの予測に役立つ情報を与える。
松尾 龍人; 荒田 敏昭*; 小田 俊郎*; 中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥; 藤原 悟
Biochemistry and Biophysics Reports (Internet), 6, p.220 - 225, 2016/07
Hydration water is essential for a protein to perform its biological function properly. In this study, the dynamics of hydration water around F-actin and myosin subfragment-1 (S1), which are the partner proteins playing a major role in various cellular functions related to cell motility, was characterized by incoherent quasielastic neutron scattering (QENS). The QENS spectra of hydration water around F-actin and S1 provided the translational diffusion coefficient, the residence time, and the rotational correlation time. The differences in these parameters indicate a significant difference in mobility of the hydration water between S1 and F-actin: S1 has the typical hydration water, the mobility of which is reduced compared with that of bulk water, while F-actin has the unique hydration water, the mobility of which is close to that of bulk water rather than the typical hydration water around proteins.
小泉 智
Journal of Chemical Physics, 107(2), p.603 - 612, 1997/07
被引用回数：4 パーセンタイル：16.35(Chemistry, Physical)液晶性高分子を構成する芳香環の回転運動を、水素に由来する中性子非干渉性散乱を観集することで解析した。この高分子は2元ランダム共集合体(p-benzoic acid/2hydroxy-6-naphtoic acid 73/27(mol/mol))で、285Cでアモルファス相からネマチック液晶相へと転移する。中性子散乱の非干渉成分を、(1)水素の振動運動によるデバイクーラー因子、(2)芳香環の回転運動による非弾性干渉性構造因子(EISF)、(3)同じく回転運動による準弾性散乱(QENS)の3成分に分離した。このようにして得られたEISFとQENSは、ネマチック相で、芳香環が分子軸まわりを自由回転するモデルで良好に再現された。また転移点以下のアモルファス相で、EISFとQENSの波数依存性が小さくなり、この変化は回転運動が自由なものからより拘束されたものへと移行したことを示唆する。
Au and relatively light projectiles in the energy region below 10 MeV/u, II; Projectile (
O)-like products横山 明彦*; 斉藤 直*; 馬場 宏*; 畑 健太郎; 永目 諭一郎; 市川 進一; 馬場 澄子; 篠原 厚*; 今西 信嗣*
Z. Phys., A, 332, p.71 - 81, 1989/00
Auターゲットと、8.8MeV/原子及び6.6MeV/原子のO入射粒子との反応で生成した入射粒子類似核の運動エネルギースペクトルと角度分布を測定した。それらの放出過程は、準弾性散乱過程と深部非弾性散乱過程に分割できた。深部非弾性成分に関して詳細な解析を行い、この反応系の場合、比較的短い反応時間で深部非弾性散乱が起きていることを確認した。
Au and relatively light projectiles in the energy region below 10MeV/u, I; Target-like products横山 明彦*; 斉藤 直*; 庄司 正秀*; 馬場 宏*; 馬場 澄子; 畑 健太郎; 関根 俊明; 市川 進一
Z. Phys., A, 332, p.61 - 69, 1989/00
非対称重イオン核反応系における核子移行反応メカニズムを研究した。即ち、Auターゲットと、
Cl,O,
n,
C入射粒子との反応で生成するターゲット類似核に関して、励起関数と反跳飛程を測定した。得られた実験結果を解析し、準弾性散乱成分と深部非弾性散乱成分に分割し、特に準弾性散乱による核子移行反応に関してトンネリング模型に基く理論的考察を試みた。
服部 高典; 河村 聖子; 川崎 卓郎
no journal, ,
約1GPaまでの準弾性中性子散乱実験(QENS)のためのハイブリッドピストンシリンダーセルを開発した。このセルは、高張力鋼(SNCM439)のライナーとAl合金(NA700)のジャケットで構成される押し嵌めシリンダーからなる。性能試験の結果、0.8GPaの圧力に耐えることができ、3.14meV(波長5.10)の中性子透過率が従来のCuBeモノブロックシリンダーの4.4倍であることが確認された。多重散乱を抑制するために考案したサンプルアセンブリと組み合わせることで、0.8GPaまでの水の高品質なQENSスペクトルを得ることができた。本研究は、ハイブリッドシリンダーが最大発生圧力を増大させるためだけでなく、発生圧力や信号強度を実験の目的に応じて調整するのに有効であることを示している。
川北 至信; 松浦 直人*; 富永 大輝*; 山田 武*; 小林 誠*; 中川 洋
no journal, ,
J-PARC物質・生命科学実験施設のBL02に設置された飛行時間分析型中性子分光器DNAは、中性子準弾性散乱・非弾性散乱のための中性子実験装置である。DNAは最大300Hzで回転するパルス整形チョッパーを備えたユニークな後方散乱分光器である。測定試料で散乱された中性子はSi111アナライザーミラーで選別される。ミラーの裏面にガドリニウムの中性子吸収剤をコートすることにより高い効率と高い信号雑音比を達成しており、非弾性散乱の強度の弱いシグナルでも観測可能である。DNAを用いた研究は、ピコ秒からナノ秒にわたる原子やスピンのダイナミクスで、生体物質, ソフトマターから、バッテリーに利用されるイオン伝導体や強相関電子系などの固体物質まで対象は及ぶ。この発表では、DNA分光器の性能に加えて、Si311面を用いた新たなアナライザーミラーのコミッショニングなどグレードアップ計画も紹介する。
