中性子回折

中性子回折または弾性中性子散乱は、中性子散乱を材料の原子構造および/または磁気構造の決定に応用したものです。検査するサンプルを熱中性子または冷 中性子のビーム内に置くと、材料の構造に関する情報を提供する回折パターンが得られます。この技術はX線回折に似ていますが、散乱特性が異なるため、中性子とX線は補完的な情報を提供します。X線は表面分析に適しており、シンクロトロン放射からの強力なX線は浅い深さまたは薄い試料に適しており、浸透深度の高い中性子はバルクサンプルに適しています。^[1]

この技術には中性子源が必要である。中性子は通常、原子炉または核破砕源で生成される。研究用原子炉では、結晶モノクロメータ（熱中性子の場合）や、目的の中性子波長を選択するためのフィルターなど、他のコンポーネントも必要となる。セットアップの一部は移動可能な場合もある。長波長中性子の場合、結晶は使用できず、回折光学部品として代わりに格子が使用される。^[2] 核破砕源では、飛行時間技術を使用して入射中性子のエネルギーを分類する（エネルギーが高い中性子ほど高速である）ため、モノクロメータは必要なく、代わりに、目的の波長で中性子パルスをフィルタリングするために同期された一連の開口部要素が必要である。

この技術は粉末回折法として最も一般的に行われ、多結晶粉末のみを必要とします。単結晶の作業も可能ですが、結晶は単結晶X線結晶構造解析で使用されるものよりもはるかに大きくなければなりません。約1 mm ³の結晶を使用するのが一般的です。^[3]

この技術には、散乱された後の 中性子を検出できる装置も必要です。

まとめると、中性子回折の主な欠点は原子炉が必要であることです。単結晶の作業では、この技術は比較的大きな結晶を必要とし、通常は成長が困難です。この技術の利点は、軽い原子に対する感度、同位体の識別能力、放射線による損傷がない^[3] 、および数cmの浸透深度^{[1]など、数多くあります。}

すべての量子 粒子と同様に、中性子は光や音に典型的に関連付けられる波動現象を示すことができます。回折はこれらの現象の 1 つで、波が波長と同程度のサイズの障害物に遭遇したときに発生します。量子粒子の波長が十分に短い場合、原子またはその原子核が回折障害物の役割を果たすことができます。原子炉から放射される中性子ビームが減速され、その速度によって適切に選択されると、その波長は 1オングストローム(0.1ナノメートル) 近くになります。これは固体材料内の原子間の典型的な間隔です。このようなビームを使用して、回折実験を行うことができます。結晶サンプルに衝突すると、X 線回折を説明する ブラッグの法則と同じ法則に従って、限られた数の明確に定義された角度で散乱します。

中性子とX線は物質と異なる方法で相互作用します。X線は主に各原子を取り囲む電子雲と相互作用します。そのため、回折X線強度への寄与は、原子番号（Z）が大きいほど大きくなります。一方、中性子は原子核と直接相互作用し、回折強度への寄与は各同位体に依存します。たとえば、通常の水素と重水素では寄与が異なります。また、大きなZ原子が存在する場合でも、軽い（低Z）原子が回折強度に強く寄与することもよくあります。散乱長は、原子番号と直線的ではなく、同位体ごとに異なります。バナジウムなどの元素はX線を強く散乱しますが、その原子核は中性子をほとんど散乱しないため、容器材料としてよく使用されます。非磁性中性子回折は、原子核の位置に直接敏感です。

中性子が散乱する原子核は非常に小さい。さらに、原子の電子雲の形状を表すのに原子形状係数は必要なく、原子の散乱力は、X 線の場合のように散乱角によって低下することはない。したがって、特に実験が低温で行われる場合、回折図は高角度でも強力で明確な回折ピークを示すことができる。多くの中性子源には、最低 4.2 K の温度でデータ収集を可能にする液体ヘリウム冷却システムが装備されている。優れた高角度 (つまり高解像度) 情報により、構造内の原子の位置を高精度で決定できる。一方、中性子データから得られるフーリエ マップ(および程度は低いが差分フーリエ マップ) には直列終端エラーがあり、結果が無意味になるほどになることがある。

中性子は電荷を帯びていないが、磁気モーメントを持っているため、原子の周りの電子雲から生じる磁気モーメントを含む磁気モーメントと相互作用する。そのため、中性子回折により物質の微視的な磁気構造を明らかにすることができる。 ^[4]

磁気散乱は、小さな原子核の周りの非常に大きな電子雲によって引き起こされるため、原子形状係数を必要とします。したがって、回折ピークへの磁気寄与の強度は、高角度に向かって減少します。

中性子回折は、気体、液体、非晶質固体の静的構造因子を決定するために使用できます。ただし、ほとんどの実験は結晶固体の構造を目的としているため、中性子回折は結晶学の重要なツールとなります。

中性子回折は、X線粉末回折と密接な関係がある。^[5]実際、この技術の単結晶バージョンはあまり一般的に使用されていない。これは、現在利用可能な中性子源では比較的大きなサンプルが必要であり、ほとんどの材料では大きな単結晶を入手するのが困難または不可能であるためである。しかし、将来の開発により、この状況が変わる可能性は十分にある。データは通常、1D粉末回折図であるため、通常はリートベルト改良法を使用して処理される。実際、後者は中性子回折（オランダのペッテン）に端を発し、後にX線回折での使用のために拡張された。

弾性中性子散乱/回折の実用的応用の1つは、金属やその他の結晶材料の格子定数を非常に正確に測定できることです。正確に位置合わせされたマイクロポジショナーと組み合わせることで、金属を通る格子定数のマップを作成できます。これは、材料が受ける応力場に簡単に変換できます。 ^{[1]これは、2つの例を挙げると、}航空宇宙および自動車部品の応力分析に使用されています。侵入深度が高いため、クランクシャフト、ピストン、レール、ギアなどのバルク部品の残留応力を測定できます。この技術により、 ISIS中性子源のENGIN-X装置などの専用の応力回折計が開発されました。

中性子回折は、回折する物質の3D構造を理解するためにも利用することができます。^{[6] [7]}

もう一つの用途は、電解質溶液中のイオン対の溶媒和数を決定することです。

磁気散乱効果は、中性子回折法が確立されて以来、物質の磁気モーメントを定量化し、磁気双極子の配向と構造を研究するために使用されてきました。中性子回折の最も初期の応用の 1 つは、マンガン、鉄、ニッケル、コバルト酸化物などの反強磁性遷移金属酸化物の磁気双極子の配向の研究でした。クリフォード・シャルによって最初に行われたこれらの実験は、物質構造における磁気双極子の反強磁性配列の存在を示した最初の実験でした。^[8]現在、中性子回折は、新しく開発された磁性材料の特性評価に引き続き使用されています。

中性子回折は、シンクロトロン放射源よりも低い放射量で、タンパク質や界面活性剤などの低原子番号物質の構造をはるかに簡単に特定するために使用できます。これは、低原子番号物質の中には、高原子量の物質よりも中性子との相互作用の断面積が大きい物質があるためです。

中性子回折がX線回折よりも優れている点の1つは、X線回折は構造中の水素（H）の存在にあまり影響されないのに対し、原子核^1Hと^2H（すなわち重水素、D）は中性子に対して強い散乱体である点である。陽子と重陽子の散乱力が大きいということは、中性子回折によって結晶中の水素の位置とその熱運動をより正確に決定できることを意味する。金属水素化物錯体、例えばMg ₂ FeH ₆の構造は中性子回折によって評価されている。^[9]

中性子散乱長b _H = −3.7406(11) fm ^[10]とb _D = 6.671(4) fm ^[10]はそれぞれHとDに対して逆の符号を持ち、この技術によってそれらを区別することができる。実際、元素の寄与が打ち消される 特定の同位体比があり、これをヌル散乱と呼ぶ。

サンプル中の H の濃度が比較的高い状態で作業するのは望ましくありません。H 核による散乱強度には大きな非弾性成分があり、散乱角に多少左右されない大きな連続背景を作り出します。サンプルが結晶質の場合、弾性パターンは通常、鋭いブラッグ反射で構成されます。これらは非弾性背景に埋もれがちです。このことは、この技術を液体構造の研究に使用する場合、さらに深刻です。しかし、異なる同位体比のサンプルを準備することで、散乱コントラストを十分に変化させ、複雑な構造の 1 つの要素を強調することができます。他の要素の変化も可能ですが、通常はかなり高価です。水素は安価で特に興味深いものです。なぜなら、水素は生化学構造において非常に大きな役割を果たしており、他の方法で構造を研究することが難しいからです。

中性子は1930年代初め頃に発見され、回折は1936年にフォン・ハルバンとプライスヴェルクの2つのグループ[12]とミッチェルとパワーズ[13]によって^{初めて観測}されました。¹⁹⁴⁴年、アーサー・コンプトンのもとで博士号の研究^[14]を通じてX線散乱のバックグラウンドを持っていたアーネスト・O・ウォランは、新たに稼働したX-10原子炉からの熱中性子を結晶学に応用する可能性を認識しました。クリフォード・G・シャルも加わり、彼らは1940年代を通して中性子回折を開発しました^{[15] 。最初の中性子回折実験は、1945年に}アーネスト・O・ウォランがオークリッジのグラファイト原子炉を使用して実施しました。その後間もなく（1946年6月）^[16]クリフォード・シャルが彼に加わり、2人でこの技術の基本原理を確立し、それを多くの異なる材料に適用して、氷の構造や材料内の磁気モーメントの微視的配置などの問題に取り組みました。この業績により、シャルは1994年のノーベル物理学賞の半分を受賞しました。（ウォランは1984年に死去）（1994年のノーベル物理学賞の残りの半分は、AECLのチョークリバー施設での非弾性散乱技術の開発に対してバート・ブロックハウスに贈られました。これには三軸分光計の発明も含まれています）。達成された研究（1946 年）とブロックハウスとシャルのノーベル賞受賞（1994 年）の間の遅れは、粒子光学の分野でもあったエルンスト・ルスカによる電子顕微鏡の発明（1933 年）と彼自身のノーベル賞受賞（1986 年）の間の遅れに近い。これは、ペイトン・ラウスの発見と 1966 年のノーベル賞受賞の 間の 55 年という記録に近い。

• 結晶学
• 結晶構造データベース
• 電子回折
• 斜入射回折
• 非弾性中性子散乱
• X線回折コンピュータ断層撮影

• Lovesey, SW (1984)。凝縮物質による中性子散乱の理論; 第 1 巻: 中性子散乱。オックスフォード:クラレンドン プレス。ISBN 0-19-852015-8。
• ラブジー、SW（1984）。凝縮物質による中性子散乱の理論、第2巻：凝縮物質。オックスフォード：クラレンドン・プレス。ISBN 0-19-852017-4。
• スクワイアズ、GL（1996年）。熱中性子散乱理論入門（第2版）。ニューヨーク州ミネオラ：ドーバー出版。ISBN 0-486-69447-X。

• Young, RA編 (1993)。リートフェルト法。オックスフォード: オックスフォード大学出版局および国際結晶学連合。ISBN 0-19-855577-6。

• 国立標準技術研究所中性子研究センター
• ブラッグの法則から中性子回折まで
• 中性子散乱およびミューオン分光法のための統合インフラストラクチャイニシアチブ（NMI3） - 中性子散乱およびミューオン分光法の分野におけるすべての主要施設を含む、12か国18のパートナー組織からなる欧州コンソーシアム
• 合同原子核研究所（JINR）のフランク中性子物理学研究所
• IAEA 中性子ビーム機器データベース