パルス中性子科学の開拓者、故 渡邉昇 名誉教授の足跡

渡邊先生は、東北大学理学部付属原子核理学研究施設（当時）の電子ライナックを用いた中性子源に始まり、KENSを経て、J-PARCまで、3回の中性子源建設に携わられた。それぞれに一貫しているのは、中性子源から測定器（実験装置）まで、効率化を徹底的に追及されたことである。中性子源のみならず、実験装置を用いた研究のディスカッションにも大いに情熱を傾けられていた。その情熱が、世界に誇る中性子実験施設を生み出すとともに、研究成果をもたらし、多くの研究者を育て上げた。

ここに、中性子源開発、中性子実験装置開発、そしてそれらを用いた物質科学研究と広範な渡邊先生の業績の一部を紹介する。

KEKパルス中性子源(KENS)の建設と大学共同利用の実施

世界初の本格的パルス中性子源（KENS）を、石川義和東北大学教授らとともに建設し、大学共同利用を1980年より開始された。1989年より退職される1995年まで、高エネルギー物理学研究所ブースター利用施設長を務められ、中性子のみならず中間子科学施設、筑波大学・陽子線医学利用研究センターの発展に尽力された。

KENS中性子源開発（KENS-I）

KENSにおいては、固体メタンモデレータの運用を世界に先駆けて開始された。固体メタンは、低エネルギー領域に存在する回転モードにより効率の良い中性子冷却が可能であり、KENSにおける中性子発生効率を向上させた。

• N. Watanabe, M. Misawa and S. Yamaguchi, "Target-Moderator Mock-up Experiment for KENS", ICANS-II (Rutherford Lab., July 10-14, 1978)
• Y. Ishikawa and N. Watanabe, "KEK Neutron Source and Neutron Scattering Research Facility", ICANS-II (Rutherford Lab., July 10-14, 1978)
• N. Watanabe, S. Ikeda and Y. Ishikawa, "KENS Target Station", Proc. ICANS-IV (KEK, Tsukuba, Oct. 20-24, 1980), KENS Report-II (1981) 181
• Y. Ishikawa, Y. Endoh, N. Watanabe and K. Inoue, "Neutron Scattering Experiments at Pulsed Spallation Neutron Source (KENS)", Proc. Symp. Neutron Scattering (Argonne, Aug. 12-14, 1981) (1981) p.57
• Y. Ishikawa, M. Furusaka, S. Itoh, S. Ikeda, N. Watanabe, K. Inoue and H. Iwasa, "Mock-up Experiments for KENS-I' Cold Moderator", Proc. ICANS-VIII (Rutherford Appleton Lab., July 8-12, 1985) RAL-85-110 (1985) p.329

KENS中性子源開発（KENS-I'）

KENS-Iでは中性子ターゲットとしてタングステンを使用していた。KENS-I'では、加速器パワーを増強し、ジルカロイ-2被覆劣化ウランに変更し、中性子強度の倍増を目指した。KENS-I'の運用を1986年より開始した。

• N. Watanabe, "Progress at the Pulsed-Spallation Neutron Facility KENS", Proc. ICANS-X (Los Alamos, Oct. 3-7, 1988), p.53

KENSにおける中性子実験装置開発

渡邊先生は、中性子源のみならず、当時の主流であった原子炉中性子源では実現できないような性能を持つ、新しい実験装置の開発もKENSにおいて行っている。

全散乱装置（HIT）

中性子全散乱装置（HIT）の原点は、木村一治先生、渡邊昇先生が東北大学原子核理学研究施設の電子リニアック加速器を用いた中性子源に設置されたスプートニク型全散乱装置である。核理研で液体用全散乱装置となったのち、KENSにおいてHIT-I、HIT-IIと改良を重ね、アモルファスや液体の研究で多くの成果を上げた。J-PARC BL21 NOVAへと発展している。

• K.Suzuki, M. Misawa, K. Kai, N. Watanabe, "Time-of-flight Pulsed Neutron Diffraction of Liquids using an Electron Linac", NIM 147 (1977) 519-528
• N. Watanabe, T. Fukunaga, T. Shinohe, K. Yamada and T. Mizoguchi, "The High Intensity Total Scattering Spectrometer (HIT)", Proc. ICANS-IV (KEK, Tsukuba, Oct. 20-24, 1980), KENS Report-II (1981) p.539
• T. Fukunaga, K. Kai, M. Naka, N. Watanabe and K. Suzuki, "High Resolution Short-range Structure of Ni-Ti and Cu-Ti Alloy Glasses by Pulsed Neutron Total Scattering", Proc. 4th Int. Conf. Rapidly Quenched Metals (Sendai, Aug. 24-28, 1981) (1981) 347
• T. Fukunaga, N. Watanabe and K. Suzuki, "Experimental Determination of Partial Structures in Ni₄₀Ti₆₀ Glass", J. Non-Cryst. Solids 61 & 62 (1984) 343
• T. Fukunaga, N. Hayashi, K. Kai, N. Watanabe and K. Suzuki, "Chemical Short-Range Structure of Ni_xTi_1-x (x=0.26-0.40) Alloy Glasses", Physica B 120 (1983) 352
• K. Suzuki, N. Hayashi, Y. Tomizuka, T. Fukunaga, K. Kai and N. Watanabe, "Hydrogen Atom Environment in a Hydrogenated ZrNi Glass", J. Non-cryst. Solids 61&62 (1984) 637
• K. Yamada, A. Matsumoto, N. Niimura, T. Fukunaga, N. Hayashi and N. Watanabe, "Short Range Structural Analysis of Lead Silicate Glasses by Pulsed Neutron Total Scattering", J. Phys. Soc. Jpn.55 (1986) 831

時間焦点型結晶分光器（CAT）

0 eVから数百meV領域までの広いエネルギー領域における原子振動を良好な分解能で観測することを可能にした。水素を中心とする軽元素の高エネルギー振動の測定に威力を発揮し、誘電体や金属中の水素、⁴He-IIのボーズ凝縮などの研究において成果を上げた。

• N. Watanabe, S. Ikeda and K. Kai, "Crystal Analyzer TOF Spectrometer (CAT) for High Energy Incoherent Neutron Scattering", Proc. ICANS-VI (Argonne, June 28-July 2, 1982), ANL-82-80 (1982) p.279
• S. Ikeda, N. Watanabe and K. Kai, "Crystal Analyzer TOF Spectrometer (CAT)", Physica B 120 (1983) 131
• 渡辺昇、池田進、「運動量変化の非常に大きい中性子散乱による⁴He-IIのボーズ凝縮の直接観測」、日本物理学会誌 40 (1985) 283
• S. Ikeda and N. Watanabe, "Neutron Scattering from Superfluid 4He at Very Large Momentum Transfer", Phys. Lett. A 121 (1987) 34
• S. Ikeda and N. Watanabe, "Local Modes and Hydrogen Potential in Metal Hydrides", J. Phys. Soc. Jpn., 56 (1987) 565

共鳴吸収型分光器（RAT）

新規に開発した共鳴吸収検出器を利用して数eVから数十eVにわたる非常に高いエネルギー分光を可能にした装置で、中性子コンプトン散乱の研究が行われた。

• N. Watanabe, "Resonance Detector Instruments", Proc. Workshop on High-Energy Excitation in Condensed Matter (Los Alamos, Feb. 13-15, 1984), p.56
• H. Rauh and N. Watanabe, "Neutron Compton Spectroscopy of Pyrolitic Graphite", Phys. Lett. 100A (1984) 244
• H. Rauh and N. Watanabe, "Determination of the Momentum Distribution of Scattering Particles from High Q Scattering Spectra of a Resonance Detector Neutron Spectrometer", NIM 228 (1984) 147
• N. Watanabe, "Resonance Detector Methods in Spectrometers", Proc. Neutron Scattering in the 'Nineties, IAEA Vienna 1985 p.279
• J. M. Carpenter and N. Watanabe, "Time Focussing and Resolution in Resonance Detector Neutron Spectrometer", NIM 213 (1983) 311
• J. M. Carpenter, N. Watanabe, S. Ikeda, Y. Masuda and S. Satoh, "A Resonance Detector Spectrometer at KENS", Physica B 120 (1983) 126

TOF型粉末回折装置（HRP）

KENSにおける最初の高分解能粉末回折計（HRP）の初代装置責任者が渡邊昇先生である（1985 ～ 1987年）。HRPの分解能は、Δd/d = 0.3%であった。HRPが共同利用に供せられた1986年末から、高温超伝導フィーバーが吹き荒れていたが、1987年3月末に加速器を臨時運転してYBa₂Cu₃O₇の結晶構造解析を実施、アルゴンヌ国立研やILLとほぼ同時に発表するなどの成果を残したことは、今でも語り草になっている。その後、位置敏感型ヘリウムガス中性子検出器を用いたTOF型粉末回折装置が建設され、ここで行われた位置敏感型検出器システムの開発がJ-PARCにおける位置敏感型ヘリウムガス中性子検出器システムに繋がった。

• N. Watanabe, H. Asano, H. Iwasa, S. Satoh, H. Murata, K. Karahashi, S. Tomiyoshi, F. Izumi and K. Inoue, "High Resolution Neutron Powder Diffractometer with a Solid Methane Moderator at Pulsed Spallation Neutron Source", Jpn. J. Appl. Phys. 26 (1987) 1164
• F. Izumi, H. Asano, T. Ishigaki, E. Takayama-Muromachi, Y. Uchida, N. Watanabe and T. Nishikawa, "Rietveld Refinement of the Structure of Ba₂YCu₃O_7-x with Neutron Powder Diffraction Data",Jpn. J. Appl. Phys. 26, L649-L651 (1987)
• T. Kamiyama, K. Oikawa, N. Tsuchiya, M. Osawa, H. Asano, N. Watanabe, M. Furusaka, S. Satoh, I. Fujikawa, T. Ishigaki, and F. IzumI, "A New TOF Neutron Powder Diffractometer with Arrays of One-dimensional PSD's" Physica B Condensed Matter, 213-214 (1995) 875

逆転配置型非弾性散乱分光器（LAM）

単結晶アナライザーミラーをコンパクトに配置し、広いQ-E空間の測定を可能にした。LAM分光器での知見が、J-PARC BL02 DNAをはじめてとして世界中の分光器設計に影響を与えた。

• K. Inoue, Y. Kiyanagi, M. Kohgi, Y. Ishikawa, N. Watanabe, H. Iwasa, Y. Sakamoto and K. Jinguji, "Large Analyzer Mirror Low Energy Spectrometer LAM(KEK) and LANDAM(HU), and Electron Linac Cold Source", Proc. ICANS-IV (KEK, Tsukuba, Oct. 20-24, 1980), KENS Report-II (1981) p.592
• K. Inoue, Y. Ishikawa, N. Watanabe, K. Kaji, Y. Kiyanagi, H. Iwasa and M. Kohgi, "Crystal Analyzer Type Quasielastic Spectrometers using the Pulsed Cold Neutron Source", NIMA 238 (1985) 401

高分解能逆転配置型分光器（LAM-80ET）

逆転配置型分光器の最高分解能のベンチマークとなり、J-PARC BL02 DNAに発展した。

• S. Ikeda, N. Watanabe, K. Inoue, Y. Kiyanagi, A. Inaba, S. Takeda, T. Kanaya, K. Shibata, T. Kamiyama, Y. Izumi, Y. Ozaki and C. J. Carlile, "High Resolution Neutron Spectrometer LAM-80ET and Rotational Tunneling in 4-Methylpyridine N-Oxide", J. Phys. Soc. Jpn., 60 (1991) 3340

J-PARC建設

J-PARCは、2001年に予算化され建設が開始された。渡邊先生は、種々のR&Dにおいて、それまでの御経験をフルに活用され、2008年の中性子源運用開始を先導された。

J-PARC中性子モデレーターの開発

J-PARCにおける中性子発生効率が他の施設を凌駕することにつながった結合型液体水素モデレーターの提案・開発やパラ水素を用いることの重要性に関する研究を1980年代より行っている。

• N. Watanabe, Y. Kiyanagi, K. Inoue, M. Furusaka, S. Ikeda, M. Arai, and H. Iwasa, "Preliminary Optimization Experiments of Coupled Liquid Hydrogen Moderator for KENS-II", Proc. ICANS -X (Los Alamos, Oct. 3-7, 1988), Inst. of Phys. Conf. Series No. 97, Institute of Physics, Bristol and New York, 1988, P.787
• Y. Kiyanagi, N. Watanabe and H. Iwasa, "Experimental Studies on Neutronic Performance of Coupled Liquid-Hydrogen Moderator for Pulsed Spallation Neutron Souces", NIMA 312 (1992) 561
• N. Watanabe and Y. Kiyanagi, "Towards a High-Efficiency Pulsed Spallation Neutron Source", Physica B 180&181 (1992) 893
• Y. Kiyanagi, N. Watanabe, H. Iwasa and M. Nakajima, "Premoderator Studies for a Coupled Liquid-Hydrogen Moderator" Proc. 12th Meeting of Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (Abingdon Oxfordshire, UK) 1993 T-196
• N. Watanabe, Y. Kiyanagi and M. Furusaka, "Recent Progress in Developing High-Efficiency Cryogenic Moderators", Proc ICANS-XIII, (PSI , Oct. 11-14, 1995) 1995 659
• Y. Ogawa, Y. Kiyanagi, N. Kosugi, H. Iwasa, M. Furusaka, N. Watanabe, "Intensity Enhancement of Cold Neutrons from a Coupled Liquid-hydrogen Moderator for Pulsed Cold Neutron Sources", NIMA 432 (1999) 415

J-PARCでは採用されなかったが、Groovedモデレーターと呼ばれる新しい形状のモデレーターを提案し、性能実証を行った。ISISの第2ターゲットステーションで採用されるなど、比較的低パワーの中性子源で活用されている。

• K. Inoue, Y. Kiyanagi, H. Iwasa, N. Watanabe, S. Ikeda, J. M. Carpenter and Y. Ishikawa, "Grooved Cold Moderator Tests", Proc. ICANS-VI (Argonne, June 28 -July 2, 1982), ANL-82-80 (1982) 391
• Y. Ishikawa, S. Ikeda, N. Watanabe, K. Kondoh, K. Inoue, Y. Kiyanagi, H. Iwasa and K. Tsuchihashi, "Grooved Cold Moderator at KENS", Proc. ICANS-VII (Chalk River, Sept. 13-16, 1983), AECL-8488 (1983) 230

核破砕反応における中性子発生数の陽子エネルギー依存性

中性子発生が陽子エネルギーにほぼ比例することを初めて実験的に示し、J-PARC加速器パワーの設定の根拠を与えたKEK-PSでの実験に主導的に参画した。

• M. Arai, Y. Kiyanagi, N. Watanabe, R. Takagi, H. Shibazaki, M. Numajiri, S. Itoh, T. Otomo, M. Furusaka, Y. Inamura, Y. Ogawa, Y. Suda and S. Satoh, "Neutron Production from Lead Targets for 12-GeV Protons", J. Neutron Research 8 (1999) 71

J-PARC中性子源システムの開発と性能実証

J-PARC中性子源システムの詳細設計から、性能実証まで精力的に参画された。ここでも多くの研究者を育成された。

• H. Takada, F. Maekawa, S. Honmura, K. Yoshida, T. Teraoku, S. Meigo, A. Sakai, Y. Kasugai, S. Kanechika, H. Ohtake, M. Furusaka, R. Hino, Y. Ikeda, N. Watanabe, "Target Station Design of 1 MW Spallation Neutron Source at the High Intensity Proton Accelerator Facilities J-PARC", Proc. ICANS-XVI (Dusseldorf-Neuss, May 12 - 15, 2003), p.1115
• F. Maekawa, M. Harada, K. Oikawa, M. Teshigawara, T. Kai, S. Meigo, M. Ooi, S. Sakamoto, H. Takada, M. Futakawa, T. Kato, Y. Ikeda, N. Watanabe, T. Kamiyama, S. Torii, R. Kajimoto, M. Nakamura, "First Neutron Production Utilizing J-PARC Pulsed Spallation Neutron Source JSNS and Neutronic Performance Demonstrated", NIMA 620 (2010) 159
  10.1016/j.nima.2010.04.020

パルス中性子源解説論文

渡邊先生のパルス中性子源に対する考え方や知見は以下の論文にまとめられている。

• N. Watanabe, "Why Total Performance", Proc. 11th Meeting Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources (KEK, Oct. 22-26 1990) (1990) 637
• 渡辺 昇、 「核破砕中性子源工学概論」、JAERI-Review 2000-031 PDF

国際協力

渡邊先生がKENSを立ち上げられた当時、加速器駆動型パルス中性子源は未開の分野であり、主流であった原子炉中性子源と比較すると、モノになるのかわからない分野であった。KENS立ち上げと同時期に、Int. Collaboration on Advanced Neutron Sources、通称ICANS（アイキャンス）と呼ばれる国際ワークショップが立ち上げられ、アメリカやヨーロッパなどとの国際協力と競争の基点となり、加速器駆動型パルス中性子源の発展に大きな貢献を果たした。渡邊先生は、ICANSの中核メンバーとして、新しいアイディアをICANSにもたらし、ICANSの成功に導いた。その功績が認められ、2003年にICANSの名誉議長の称号が授けられた。

KENSでは、様々なアイディアや工夫により「世界初」の装置が多く開発され、研究成果をあげたが、後発のRutherford Appleton研究所（英国）のISIS施設よりも陽子加速器のパワーが一桁以上劣っていた。加速器パワーの差は、特に非弾性散乱実験の質に顕著な差を生んでいた。こうした状況下で、1986年に開始された日英中性子散乱研究協力事業は、気鋭の若手研究者がISISに常駐する形で実施され、チョッパー型分光器MARIの建設を始めとする多くの物性研究成果をあげた。渡邊先生は、同事業の立ち上げにおいて、中心的な役割を担われた。

また、パルス中性子源に対する長年の功績とJ-PARC実現への貢献により、2011年に第１回 AONSA prizeも授与されている。