中性子スピン干渉原理に基づく中性子スピンエコー装置開発

(1)

スピン干渉を用いたSANS

～MIEZE-SANSを中心に～

(2)

2010年1月18-19日京大炉事務棟会議室

～中性子小角散乱

_(SANS)

の高度化～

z

SANS

に非（準）弾性散乱分光を！

MIEZE

型スピンエコー分光法の原理と装置開発

～

_SANS

の汎用化～

z

小型中性子源における

_SANS

を考察。

スピン干渉を用いた

_SANS

の一提案

どちらもスピン干渉

（スピンエコー）の

原理を用いる

(3)

A research by using NSE

(4)

[ ]

2 NSE

exp

)

,

(

)

,

(

cos

)

,

(

DQ

t

Q

I

Q

I

d

Q

S

P

∝

−

∝

=

∝

∫

γ

τ

ω

ωτ

ω

Energy resolution

and beam

monochromatization

independent from

each other!

P

_NSE

B

₀

(+z)

B

₀

(-z)

x

y

z

_{Larmor precession}

Neutron velocity changes

→ P

_NSE

reduces

D:diffusion constant

Neutron Spin Echo method

:Simple case

Polarized

neutron

（wide-band)

F.Mezei、Z.Phys.255 146(1972).

3 0

mv

L

ω

τ

=

h

Fourier

Time：

(5)

(6)

MIEZE

（

_{Modulated IntEnsity by Zero Effort}

）法の概念図

サンプルー検出器間には何も無し！

○検出器を並べることで中性子強度のゲインが大きい（Q分解能もあげられる)

○NRやSANSに適用可能。サンプル位置で強磁場すらかけられる。

○偏極解析が可能（スピンフリップ散乱もvisibility 1で測定。Hの非干渉性散乱の分離)

○パルス中性子源の場合、エコー条件の緩和、1パルスごとにエコー測定が（原理的）に可

能△高分解能（高周波駆動）の場合、サンプルによる位相分散の問題有

(7)

Intensity at

Detector

(

_s _sd

)

s d s

L

v

t

+

−

+

=

Φ

2 12

2

2 ω

ω

MIEZE

at MINE1

（

_JRR

_-

_{3 at JAEA)}

1.7m

λ

_<

λ

_<

λ

neutron beam

Neutron Intensity (spin) behavior at MIEZE echo condition

3

2 mv

L

_sd s

ω

τ

=

h

2 cos

1 +

Φ

∝

d

I

Fourier

Time：

frequency of RSF:

ω

_s,

sample-detector length:

L

_sd

(8)

Elasped time(μsec)

Neutron beam

2D-PSD

0.1 mm

1

1 μ

μ

sec

Neutron

Counts/pixel(1pixel~1m

m

2

)

Observation of MIEZE

signal with the effective

frequency

1MHz

0.2 period

Elapsed time(μsec)

v~490m/s , 1period=0.49mm

τ=1.7ns@L

_sd

=0.5m

H.Hayashida et al.

Physca B397 (2007) 144.

δλ/λ~10%

(9)

Diffusion of magnetite particles

Superparamagnetism(SPM)

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

=

kT

KV

exp

0 τ

τ

_{SPM:L. Néel, Ann. Geophys.}

5, 99 (1949).W. F. Brown,

Jr., Phys. Rev. 130, 1677

(1963).

K :magnetic anisotropy energy

V :particle volume

Magnetic Ferrofluid

oleic acid

Magnetite particles (Fe

₃

O

₄

)

τ~10 ns if diameter ~10nm@RT

S.H.Kilcoyne et al.,

J.Mag.Mag.Mat.140-144(1995) 1466.

V. T. Lebedev et al.,ibid 122(1993) 83.

(10)

x

y

z

π-flipper

Slit

_Sample

2nd Analyzer

Detector

πON

πOFF

×

z

y

_x

2

|

)

(

Q

P

Q

P

′

=

−

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₋

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₊

=

′

⊥

−

=

2 ,

0 ,

0

2 ,

0 ,

0

0 ,

,

)

,

0 ,

0 (

z

P

Q

P

Spin flip

Non spin flip

Spin flip =

magnetic/2

non-spin flip =

nuclear + magnetic/2

Nuclear =

Non spin flip

－

Spin flip

By inserting 2nd analyzer

after sample, we can

measure

nuclear

and

magnetic

scattering

separately!

MIEZE technique(2nd analyzer) for magnetic scattering

(11)

New MIEZE

technique(2nd analyzer)

_{technique(2nd}

analyzer)

πflipper

Sample

1st

Analyzer

2nd Analyzer

In MIEZE, it is easy to

insert magnetic device

around sample!

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 T ra n s m is s io n p ro b a b ilit y 5 4 3 2 1 0 Incident angle(degree) 100 80 60 40 20 0 F lippi ng r a tio 6 5 4 3 2 1 0 m

4Q Fe/SiG

₃

(Si) analyzer@KURRI

(transmission geometry type

)

↑spin

↓spin

(12)

2010年1月18-19日京大炉事務棟会議室 250 200 150 100 50 0 In te n sit y / 2 4 0 0 0 se c 40 30 20 10 0

Elapsed time / 0.4μsec

5deg Nucl

磁性流体微粒子の拡散

核散乱からの寄与。粒径10nmなら>nsec .

現在のMIEZEレンジ(0.3～1.6ns)外

超常磁性緩和

MIEZEの新しい測定法：磁性ナノ構造のスピンダイナミクス

20x103 15 10 5 0 Int e ns it y / 3 0 00 se c 40 30 20 10 0

Elapsed time / 0.4μsec 0deg pON-pOFF

磁気(スピンフリップ)散乱からの寄与。粒径10nm

室温であれば、nsec以下。現在MIEZEレンジ内

スピンフリップ散乱を直接測定

→試料後に偏極アナライザーミラーを

設置することでノンフリップ成分とスピ

ンフリップ成分とを分離

（Q=0.68nm-1 _{のシグナルの変化を例として)} 250 200 150 100 50 0 In te ns it y / 9 600 0s ec 20 15 10 5 0

Elapsed time / 0.8μsec

5deg Magn 磁気散乱分離

P

_MIEZE

=0.279 @Q=0.68nm

-1

Q=0nm

-1

_(τ=0.3ns)

P

_MIEZE

=

0.758±0.002

0.758

核散乱分離

P

_MIEZE

= 0.756 @Q=0.68nm

-1

(13)

中性子は同位体ラベル可能な唯一の散乱法

MIEZEの偏極解析によりHの非干渉性散乱の同定可能

N（R)SEの場合：

(↑↓重ね合わせ＆

様々なスピン方向

＠試料)

MIEZEの場合：

(↑スピンのみ＠試料)

偏極解析により、非干渉性散乱を1/3にし、かつその動き[S (q,t)

_inc

]も同定可能

(14)

Structure of Resonance Spin Flipper(RSF)

Incident neutrons B0 B0 B0 B0 Bz 2Br cosωs t 2Br Bz-B0 y x z y=0 y= l 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Spin-flip probability 1.5 1.0 0.5 0.0 Wavelength / nm

P

_RSF

:Probability of spin flip at

resonance condition

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

v

l

B

P

n r

h

μ

2

sin

RSF s z n

B

ω

μ

=

_h

v

l

B

P

_RSF

∝

_r

,

/

∴

(15)

When we use a pulsed neutron beam, its wavelength

labeled by flight time

Const.

=

v

l

B

_r

n

h

μ

( )

t

l

L

C

t

B

n

r

1 ⋅

=

μ

h

By changing amplitude of oscillation field

as a function of 1/t, RSF works all

wavelength!

Let’s consider a pulsed neutron beam

(16)

高分解能化には、高周

波RSFの開発が必須

高周波化には大電流 +

冷却システムが必要

enclosed flux

小角散乱を軽減させるため窓部はすべて純アルミで製作

位相差の分散を無

くすためは、Bzの

面の平面性がとて

も大事…

0.3~0.75nmで

スピンフリップ

窓の面精度の良い

高周波

_RSF

の開発

単体

516kHz

で駆動

(17)

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 C MIEZE 3.0 2.0 1.0 0.0 Elapsed time(μsec)

Required electric(DC) power → 1/20(

1KW

→

50W

@600kHz RSF)

+ No cooling system

C

_MIEZE

=0.58@600kHz

No beam

loss in the

Bz coil

MIEZE

New Bz coil(iron yoke) system works@MIEZE at JRR

(18)

C

_NRSE

=0.73@750Hz

NRSE

4000 3000 2000 1000 0 Co un ts / 20sec -1000 -500 0 500 1000 RSF phase(degree) 4000 3000 2000 1000 0 Coun ts /2 0s ec 4 2 0 -2 -4 RSF2 position(mm)

RSF1

RSF2

RSF3

RSF4

1period=0.29mm@750kHz

Changing RSF1-2 length

New Bz coil(iron yoke) system

works@NRSE at JRR

(19)

(20)

J-PARC MLF

BL10(NOBORU)

Slit

Polarizer:

(5Qc Fe/SiGe3(Si) )

RSF1

RSF2

Analyzer:

(5Qc Fe/SiGe3(Si))

Detector :

½ inch He-3

J

-

PARC

BL10(NOBORU)

ポートにおける

(21)

400 300 200 100 0 Co unt s/5000K P 35x103 30 25 20 15 10 Elapsed time(us) 350 300 250 200 150 Co unt s/5000K P 10.05x103 10.04 10.03 10.02 10.01 10.00 Elapsed time(us) 240 220 200 180 160 140 120 100 C o unt s/50 00 K P 20.05x103 20.04 20.03 20.02 20.01 20.00 Elapsed time(us) 70 60 50 40 30 Count s/5000K P 30.05x103 30.04 30.03 30.02 30.01 30.00 Elapsed time(us)

First MIEZE signal(0.2kHz)

and

100kHz MIEZE

@BL10(J-PARC)

5000 4000 3000 2000 1000 0 Co unt s/25 00 K P 35 30 25 20 15 10 5 Elapsed time(ms)

First J-PARC MIEZE

signal(Feb.15.2009

)

(22)

Cross fiber 2D-PSD

(JAEA type) for MIEZE

2D image

MIEZE signal

J-PARC BL10(NOBORU) experiment

実効振動数2kHz

だがFittingすると

(23)

MIEZE

（

_{Modulated IntEnsity by Zero Effort}

）法

NOBORUの実験では、上流フリッパー間（RSF1-2)の位相差は

ほぼ0。下流(RSF2-検出器)では、>2π×100＠9Åの位相差が

ついている。エコー条件は全く成り立っていない！しかし時間

(24)

最もシンプルなTOF-MIEZEセットアップとそのエネルギーダイアグラム

基準振動項

RSFのエネルギー差による位相差

分散項（配置による位相差）

※ω

₁

とω

₂

は実効振動数

(25)

MIEZEの観測はいつでもt

_d

の関数：実験配置によって基準振動の周

期が変わるがエコー条件の制約は大きく緩和される。

(26)

Our Realistic Design Target

MIEZE

max RF:600kHz, 0.25<λ<1.1(nm)

0.1<Q<35 (1/nm)

0.1(ps)<τ<11 (ns)

※high angle

(sample-detector:1.0m)

7<Q<35(1/nm)

0.1(ps)<τ< 0.4(ns)

※small angle

(sample-detector:4.8m)

0.1<Q<8(1/nm)

0.1(ps)<τ< 11(ns)

NRSE

(RSF distance:2.5m,

max.RF :2MHz,1<λ<2(nm

0.1<Q<10(1/nm）

1(ps)<τ<50(ns)

(27)

VIN ROSE arrangement plan for J-PARC

MIEZE

NRSE

MIEZE (sample position)

6.45×10

8

_n/s/cm

2

_@1MW

NRSE (sample position)

5.3×10

6

_n/s/cm

2

_@1MW

(28)

K.Mishima, et. al.,Nucl.Inst.Meth. A600(2009)342.

(29)

MIEZE option install to JRR-3 SANS-JⅡ

X10

(30)

通常使用する入射波長0.6nm

最も単純なMIEZE体系(2つのπ/2コイルのみ)で行う

Δω=70kHzとすると、τ=1ns(0.66μeV)

Δω=0.3MHz程度が可能なので、

τ=4.1ns(0.16μeV)

波長を1.2nmを用いると、

τ=33ns(0.02μeV)

※低周波はΔω～0.1kHzでも可能。

polarizer

analyzer

sample

detector

SANS-JⅡ

MIEZE でまず実施するスペック

(31)

まとめ

z J-PARC BL10(NOBORU)でMIEZEテストを行い、

100kHzMIEZEシグナルを測定。

z TOF-MIEZE分光法の定式化を行い、実証。

z 電磁石の新型RSFを用いてMIEZE及びNRSEシグナルを

測定、コンパクトなRSFを用いてSANS-JⅡにも設置

今後の予定と展開

z J-PARC BL05にて、高分解能MIEZE測定→試料測定

z JRR-3 SANS-JⅡにMIEZEを設置して試料測定

z VIN ROSE(Village of Neutron ResOnance Spin

(32)

ご静聴ありがとうございます

ご協力いただいている方々

京大炉:

北口雅暁、川端祐司

京大工:

田崎誠司

Delft Univ.

Markus Bleuel

原子力機構: 林田洋寿、片桐政樹、阿知波紀郎、

海老沢徹、丸山龍治、山崎大、曽山和彦

前川藤夫、及川健一

KEK：

清水裕彦

中性子スピン干渉原理に基づく中性子スピンエコー装置開発

スピン干渉を用いたSANS

～MIEZE-SANSを中心に～

Contents

Contents

～中性子小角散乱

～中性子小角散乱

(SANS)

(SANS)

の高度化～

の高度化～

z

z

SANS

SANS

に非（準）弾性散乱分光を！

に非（準）弾性散乱分光を！

MIEZE

MIEZE

型スピンエコー分光法の原理と装置開発

型スピンエコー分光法の原理と装置開発

～

～

SANS

SANS

の汎用化～

の汎用化～

z

z

小型中性子源における

小型中性子源における

SANS

SANS

を考察。

を考察。

スピン干渉を用いた

スピン干渉を用いた

SANS

SANS

の一提案

の一提案

どちらもスピン干渉

（スピンエコー）の

原理を用いる

A research by using NSE

[ ]

exp

)

,

(

)

,

(

cos

)

,

(

DQ

t

Q

I

Q

I

d

Q

S

P

∝

−

∝

=

∝

∫

γ

γ

τ

τ

ω

ωτ

ω

_(SANS)

_(SANS)

_SANS

_SANS

_SANS

_SANS

_SANS

_SANS

_{Larmor precession}

_{Modulated IntEnsity by Zero Effort}

_{Modulated IntEnsity by Zero Effort}