超流動ヘリウムを用いた 次世代超冷中性子源の開発 v
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27pHB-15. 超流動ヘリウムを用いた 次世代超冷中性子源の開発 V. KEK, 阪大理 A , 阪大 RCNP B , TRIUMF C 川崎真介 , 増田康博 , 鄭淳讃 , 渡邊裕 松多健策 A , 三原基嗣 A , 畑中吉治 B 松宮亮平 B , 谷畑勇夫 B , Yunchan Sin C Edgard Pierre C. contents. 超流動ヘリウムによる UCN 生成 Spallation UCN source @ RCNP New UCN source Improvements 製作状況 Cooling test - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
日本物理学会 第 68 回年次大会@広島大学
超流動ヘリウムを用いた次世代超冷中性子源の開発 V
KEK, 阪大理 A, 阪大 RCNPB, TRIUMFC
川崎真介 , 増田康博 , 鄭淳讃 , 渡邊裕松多健策 A, 三原基嗣 A, 畑中吉治 B
松宮亮平 B, 谷畑勇夫 B, Yunchan SinC
Edgard PierreC
2012/3/27 1
27pHB-15
contents• 超流動ヘリウムによる UCN 生成– Spallation UCN source @ RCNP
• New UCN source– Improvements– 製作状況– Cooling test
• まとめと今後の計画– TRIUMF 移設
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超冷中性子 Ultra-Cold Neutron
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超冷中性子の生成
Spallation Neutron ( 熱中性子 )
D2O Moderator (300K, 20K)
Superfluid He (HeII) の phonon 散乱
超冷中性子・・・超低エネルギーの中性子 エネルギー ~ 100 neV 速度 ~ 5 m/s 波長 ~ 50 nm
中性子の受ける力 重力 100 neV/m 磁場 60 neV/T 強い力 ( フェルミポテンシャル ) 335 neV (58Ni) 弱い力 β 崩壊 ( n → p + e ) に寄与
物質中に閉じ込めることが出来る nEDM 、重力、中性子寿命など様々な実験に用いられる
高強度 UCN 源の必要性
世界の UCN 計画
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Source Type UCN 密度 [UCN/cm3]
ρ∝Ec3/2
Max energy
Ec [neV]
Lifetime [s]
neutron Moderator
Ours @ RCNP Spallation He-II 260@10μA 90 150
Ours @ TRIUMF Spallation He-II 1300 pol 90 150
Sussex-RAL-ILL Beam He-II 1000 250 150
SNS Beam He-II 150 134 500
PNPI Reactor He-II 12000 250 23
Los Alamos Spallation SD2 30 180 1.6
PSI Spallation SD2 1000 250 6
Munich Reactor SD2 1000 pol 250 **
旧 UCN 発生装置@ RCNP
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陽子ビーム400MeV 1μA
超冷中性子
4He 冷凍器 3He 冷凍器
Vertical 型これまでの結果 Storage Lifetime : 81 sec UCN 密度
26UCN/cm3 Ec = 90neV
UCN 生成数
Vertical Source
6
Year IP τs THeII Improvement
2002 200nA 14 s 1.2K
June 2006 1μA 29 s 0.9K 3He cryostat
Nov. 2006 1μA 34 s 0.8K Reduce HeII film perimeter (8.5 cm → 5 cm)
July 2007 1μA 39 s 0.8K Remove 3He contamination
April 2008 1μA 47 s 0.8K Fomblin coating
Dec. 2009 1μA 61s 0.8K Alkali cleaning
Feb. 2011 1μA 81s 0.8K High temperature baking (140 )℃
lifetime Storage rate ProductionUCN P
Finally, UCN density 26 UCN/cm3 Ec = 90neV
新 UCN 源 (Horizontal 型 )
• 水平方向に UCN を取り出し ( 効率2.6 倍 )– 重力によるエネルギーの減少を受けな
い– スムーズに取り出せる
• UCN bottle の体積を 1.5 倍に大きく• cold neutron flux の増大 (1.2 倍 )
約 5 倍の UCN flux の増大
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UCN エネルギースペクトル(Geant 4 シミュレーション )
重力によるカット
新 UCN 源製作状況
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He 冷凍器
UCN ガイド 固体重水槽
!! ヘリウム不足 !!
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かの夢の国でも。。。
昨夏より液体ヘリウムの入手が困難に。今夏には入手できるか?
He-II (superfluid He) Cryostat
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• He cryostat• 4He 、 3He 減圧による 2 段の冷
却機構
•無酸素銅の円筒型熱交換器• 内側 : He-II• 外側 : 3He
•UCN storage time in He-II• phonon up-scattering
• 36 s @ 1.2 K• 600 s @ 0.8 K
•He-II temperature < 1K
•He-II cryostat• Cooling by He pumping
• 1st 4He 1 ~ 2 K• 2nd 3He < 1K
Cooling test• Cooling Test
– 今回は 3He の代わりに4He を使用
– 1.2K を達成– 3He で同等の蒸気圧
→ 0.6K
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Cryostat System
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UCN Polarizer
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Polarizer
UCN Polarizer 超電導マグネットを用いて超冷中性子を偏極させる
UCN のエネルギー < 210 neV ( ガイド管のポテンシャル )
中性子の感じる磁場ポテンシャル 60 neV / T
3.5T マグネット 210 neV
さらに Al window のポテンシャル (54neV) も超える
3.5T
マグネット中心からの距離 (cm)
B10T
1T
100mT
10mT超流動 He
100μm Al window
10μm Al foil
magnet 0 20 40 60 80 100
Al window
5cm
新 UCN 源製作状況
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He Cryostat
SC Polarizer
UCN Guide
proton beamW ターゲット
D2O Moderator
すべてのコンポーネントのインストールは終了し、ヘリウムの供給が再開され次第、冷却テスト・ UCN 生成を行う
まとめと今後の計画• 現 UCN 源
– UCN 密度 26UCN/cm3 @ 90 neV
• 新 UCN 源の制作– 水平 UCN ガイド等により強度 UP 5 倍– Cooling Test
• 今後の計画– 2013 年夏 3He を使った冷却試験 THeII < 1K– 2013 年秋 UCN 生成
proton current 増強 1μA → 10μA– 2015 年 TRIUMF 移設
• beam power 増強 → 40μA @ TRIUMF• マシンタイム年間 100 日以上
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TRIUMF 移設
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まとめと今後の計画• 現 UCN 源
– UCN 密度 26UCN/cm3 @ 90 neV
• 新 UCN 源の制作– 水平 UCN ガイド等により強度 UP 5 倍– Cooling Test
• 今後の計画– 2013 年夏 3He を使った冷却試験 THeII < 1K– 2013 年秋 UCN 生成
proton current 増強 1μA → 10μA– 2015 年 TRIUMF 移設
• beam power 増強 → 40μA @ TRIUMF• マシンタイム年間 100 日以上
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日本物理学会 第 68 回年次大会@広島大学
buck up slide
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超流動 He による UCN の生成
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dispersion curve
factor stracture Dynamic : ),(
r wavenumbe: ,
),(4 2
qS
kk
qSk
kb
dE
d
fi
i
f
M. R. Gibbs, et alJ. Low Temp. Phys. 120 (2000) 55
multi phonon excitation
single phonon excitation
中性子の分散曲線
uiuii
uu dEdEEEdE
dN
dE
EddEEP
)(
)()( He
dq
m
qqS
dE
qdk
mbNdEEpP c
nuu
n
2232
2He 2
,)(
34)(
S(q,ħω)
UCN Production rate
冷中性子が超流動 He 中のフォノンを励起させることでエネルギーを落とす
resonant energy (single phonon excitation) 1 meV
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Energy Spectrum
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He-II (superfluid He) Cryostat
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• UCN storage time in He-II• phonon up-scattering
• 36 s @ 1.2 K• 600 s @ 0.8 K
•He-II temperature < 1K
•He-II cryostat• Cooling by He pumping
• 1st 4He 1 ~ 2 K• 2nd 3He < 1K
3He-4He Heat Exchanger
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Inside 3He horizontal fins
outside He-II perpendicular fins
Outside Inside
Cooling test• He cryostat のテスト
– 今回は 3He の代わりに4He を使用
– 1.2K を達成– 3He で同等の蒸気圧
→ 0.6K
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Cold Neutron Measurement
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Experimental Layout
D2O moderator で冷却された冷中性子分布 ( ~ 1000m/s) を測定TOF 測定• proton beam width : 100μs• D2O Ice の温度を 5K, 15K ,40K ,60K と変化させる
測定結果
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ピーク位置の移動によって中性子速度を計算
m/s 1600ms 8.1ms 3.3
mm 2707mm 5219
t
L
Near DetectorL = 2707mm
peak = 1.8msTD2O = 5K
Far DetectorL = 5219mm
peak = 3.3 msTD2O = 5K
Maxwell 分布で fit しない理由
重水モデレータのサイズ ( ~ 1m ) によってスペクトルの幅が広くなってしまっている TOF length の 20%
モデレータサイズを含めた解析は実行中
→ T = 160K
D2O の温度依存性
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若干の温度変化あり低温のほうがよい resonant energy
今後さらにテストを行う• 温度領域を拡大• TOF length を 10m にし、 moderatorサイズの影響を減らす
偏極 UCN ガイド素材の選定• 偏極中性子を輸送するための素材を選定
– UCN に対するポテンシャルが大きい– 偏極を保持することができる。
• 偏極 UCN を容器内に閉じ込め、内部での減偏極を測定– シリカセル + サンプル
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UCN Polarizer Fe foil : ポテンシャル VF = 210 neV
内部磁場 2T VF + μH = 210 neV ± 120 neV
330 neV or 90 neV
UCN Vmax = 170 neV 片方のスピン状態のみ Fe foil を透過
Spin Flipper スピンをフリップした場合、 Fe foil を透過できない
偏極 UCN ガイド素材の選定
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フェルミポテンシャル Ni 210neV SUS316 190neV BeCu 168neV シリカ 90neV
onoff
onoff
NN
NN
シリカセル
サンプル
OK
磁性を少しでも含む物はダメ
DLC Coating• CuBe の表面を DLC(Diamond Like Carbon) でコーティング
することにより、表面のフェルミポテンシャルを大きくする– 水素フリーの DLC を用いる必要あり
• 水素は中性子を吸収してしまう• C6F6や pure C
– DLC のフェルミポテンシャル ~ 250neV ( 密度による )
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H0 = 20mGaussBeCu+DLC(C6F6)UCN の偏極緩和時間 ~ 200sec
5K のデータまずはガウスフィッティング
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Peak Sigma
Near 1760 μs 1220 μs
Far 3300 μs 1660 μs
Far Detector の時
Peak 位置から速度を計算 1631m/sT = 161K
Peak
Near Far0 Near Far0
内挿点はほぼ 0点3300us
1760us
1660us1220us
Sigma
750us のオフセット
0 2700mmNear
5219mmFar
始めから広がりを持っている•geometry D2O のサイズ : 1000mm 冷中性子の速度 1600m/s 始めの広がり 625μs•Moderation time
Maxwell 分布でフィット
Near Detector Far Detector
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温度 67.5K 温度 92K
始めの広がりをどう解析に入れるか?
超電導マグネット
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Magnet design
偏極UCNガイド素材の選定
• Diamond Like Carbon (DLC)– 密度 2 ~ 3 g/cm3 (sp2, sp3 結合の比による )– potential ~ 250 neV– Depolarization 10-6/bounce
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Polarizer 偏極UCNガイド素材Potential 高いDepolarization 低い
上流 Ni 210 neV
DLC Potential Measurement
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中性子反射率測定 @ KUR
Direct Beam 中性子反射率計 @京大炉 中性子波長 0.3 – 0.7 nm全反射臨界波長を観測
系統誤差 ~ 10%• ビーム発散角• チョッパーの幅
測定結果
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fittingC6F6
Direct Beam との比をとることで反射率を求める
Fitting によりポテンシャルを決定 ポテンシャルを求めるだけなので単層膜として Fit
サンプル 厚さ VF 製造元C6F6 1μm 110 neV ナノテックC 1μm 150 neV ナノテックTac C 250nm 230 neV ナノフィル
ムTac C high density
250nm 260 neV ナノフィルム
VF
tac C は全反射領域でも反射率が 1 にならない Si基板 (t 380nm) の変形? 表面粗さ?
2
22
'
'
kk
kkR
k k’
k (nm-1)
偏極 UCN ガイド素材の選定
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onoff
onoff
NN
NN
シリカセル
サンプル
H0 = 20mGaussBeCu+DLC(C6F6)UCN の偏極緩和時間 ~ 200sec
2012/3/27 第 68 回年次大会 @ 広島大学 40