中性子顕微鏡

中性子顕微鏡は、小角中性子散乱によって集束された中性子を用いて、検査対象物を透過させることで画像を作成します。対象物に吸収されなかった中性子はシンチレーションターゲットに当たり、そこでリチウム6の誘導核分裂を検出し、画像を生成します。

中性子は電荷を持たないため、物質を透過して他の顕微鏡では得られない構造情報を得ることができます。2013年時点で、中性子顕微鏡はピンホール中性子カメラに比べて4倍の倍率と10～20倍の照明性能を備えています。^{[ 1 ]}このシステムは信号速度を少なくとも50倍向上させます。^{[ 2 ]}

中性子は強い力を介して原子核と相互作用します。この相互作用により、中性子は元の進路から散乱したり、吸収されたりします。そのため、中性子線は物質内部の深部に進むにつれて強度が徐々に弱くなります。このように、中性子は物体内部を調べるためのX線に似ています。^[¹^]

X線画像の暗さは、X線が通過する物質の量に対応します。中性子画像の密度は、中性子の吸収に関する情報を提供します。吸収率は化学元素によって桁違いに異なります。^{[ 1 ]}

中性子は電荷を持たないが、スピンを持っているため磁気モーメントを持ち、外部磁場と相互作用することができる。^{[ 1 ]}

アプリケーション

中性子イメージングは、物質内の水素の位置の小さな変化が中性子画像で非常に目に見える変化を生み出すことができるため、いわゆるソフトマテリアルの研究に可能性を秘めています。^{[ 1 ]}

中性子は磁性材料の研究においても独自の可能性を提供します。中性子は電荷を持たないため、磁気測定において、漂遊電場や電荷による誤差を補正する必要がありません。偏極中性子ビームは中性子スピンを一方向に向けます。これにより、材料の磁性の強さと特性を測定することができます。^{[ 1 ]}

中性子を利用する装置は、燃料電池、バッテリー、エンジンなどの金属物体の内部構造を調べることができます。また、中性子を利用する装置は、生物学的材料において重要な、より軽い元素に対しても独自の感度を持っています。^{[ 3 ]}

シャドウグラフ

シャドウグラフは、物体表面に影を落とすことで生成される画像で、通常はピンホールカメラで撮影され、非破壊検査に広く用いられています。このようなカメラは照度が低いため、長い露光時間が必要になります。また、空間解像度も低いため、ピンホールの直径よりも小さくすることはできません。ピンホールの直径がピンホールと画像スクリーン間の距離の約100分の1に小さくなると、照度と解像度のバランスが良好になり、実質的にピンホールはf/100レンズとなります。f/100のピンホールの解像度は約0.5度です。^{[ 1 ]}

ウォルターミラー

ガラスレンズや従来の鏡は、中性子を取り扱うには役に立ちません。なぜなら、中性子はこれらの材料を屈折も反射もせずに通過してしまうからです。その代わりに、中性子顕微鏡では、 X線やガンマ線望遠鏡に用いられる斜入射鏡と原理的に類似したウォルター鏡を採用しています。^[¹^]

中性子が金属表面を十分小さな角度でかすめると、同じ角度で金属表面から反射されます。光の場合、この現象は全反射と呼ばれます。この反射の臨界角は十分に大きいため（熱中性子の場合は数十分の1度）、曲面鏡を使用することができます。曲面鏡を用いることで、結像システムを構築することができます。^{[ 1 ]}

この顕微鏡は、反射に利用できる表面積を増やすために、互いに入れ子になった複数の反射円筒を使用しています。^{[ 3 ]}

測定

撮像焦点面における中性子束は、中性子シンチレーションスクリーンを前面に備えたCCD撮像アレイによって測定されます。シンチレーションスクリーンは、蛍光化合物である硫化亜鉛にリチウムを混入したもので作られています。熱中性子がリチウム6原子核に吸収されると、核分裂反応が起こり、ヘリウム、トリチウム、そしてエネルギーが生成されます。これらの核分裂生成物によってZnS蛍光体が発光し、CCDアレイによって捕捉される光学画像が生成されます。^[¹^]

参照

参考文献

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j「中性子顕微鏡で何をすべきか？」 Gizmag.com、2013年10月21日。2013年10月21日閲覧。
^ Liu, D.; Khaykovich, B.; Gubarev, MV; Lee Robertson, J.; Crow, L.; Ramsey, BD; Moncton, DE (2013). 「軸対称ミラーを備えた新規集束型小角中性子散乱装置の実証」Nature Communications . 4 2556. arXiv : 1310.1347 . Bibcode : 2013NatCo...4.2556L . doi : 10.1038 / ncomms3556 . PMID 24077533. S2CID 34185138 .
^ ^a ^b「新しい種類の顕微鏡は中性子を使う - MITニュースオフィス」 Web.mit.edu. 2013年10月4日. 2013年10月21日閲覧。

[giz1013-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j「中性子顕微鏡で何をすべきか？」 Gizmag.com、2013年10月21日。2013年10月21日閲覧。

[2] Liu, D.; Khaykovich, B.; Gubarev, MV; Lee Robertson, J.; Crow, L.; Ramsey, BD; Moncton, DE (2013). 「軸対称ミラーを備えた新規集束型小角中性子散乱装置の実証」Nature Communications . 4 2556. arXiv : 1310.1347 . Bibcode : 2013NatCo...4.2556L . doi : 10.1038 / ncomms3556 . PMID 24077533. S2CID 34185138 .

[har1013-3] 「新しい種類の顕微鏡は中性子を使う - MITニュースオフィス」 Web.mit.edu. 2013年10月4日. 2013年10月21日閲覧。

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