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 日本物理学会 第68回年次大会＠広島大学 1 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 2 超冷中性子 Ultra-Cold Neutron 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 超冷中性子の生成 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 Spallation Neutron (熱中性子) D2O Moderator (300K, 20K) Superfluid He (HeII)のphonon散乱 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 3 世界のUCN計画 Source Type Max energy Ec [neV] Lifetime [s] neutron Moderator UCN密度 [UCN/cm3] ρ∝Ec3/2 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 ** 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 4 旧UCN発生装置＠RCNP 4He冷凍器 3He冷凍器 超冷中性子 陽子ビーム 400MeV 1μA Vertical型 これまでの結果 Storage Lifetime : 81 sec UCN 密度 26UCN/cm3 Ec = 90neV UCN生成数 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 5 Vertical Source UCN Production rate P Storage lifetime Year IP τs THeII Improvement 2002 200nA 14 s 1.2K June 2006 1μA 29 s 0.9K 3He 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℃) cryostat Finally, UCN density 26 UCN/cm3 Ec = 90neV 6 新UCN源 (Horizontal型) 重力によるカット UCNエネルギースペクトル (Geant 4シミュレーション) • 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 7 新UCN源製作状況 He冷凍器 UCNガイド 固体重水槽 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 8 !! ヘリウム不足 !! 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？ かの夢の国でも。。。 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 9 He-II (superfluid He) Cryostat • 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 10 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 11 Cryostat System 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 12 UCN 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) Polarizer 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 B 10T 100μm Al window 3.5T 1T 100mT 超流動He 10mT Al window magnet 0 5cm 20 60 80 100 マグネット中心からの距離 (cm) 10μm Al foil 2012/3/27 40 第68回年次大会@広島大学 13 新UCN源製作状況 He Cryostat SC Polarizer D2O Moderator Wターゲット 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 14 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 – Cooling Test 5倍 • 今後の計画 – 2013年夏 – 2013年秋 – 2015年 3Heを使った冷却試験 THeII < 1K UCN生成 proton current 増強 1μA → 10μA TRIUMF移設 • beam power増強 → 40μA ＠ TRIUMF • マシンタイム年間100日以上 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 15 TRIUMF移設 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 16 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 17 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 18 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 – Cooling Test 5倍 • 今後の計画 – 2013年夏 – 2013年秋 – 2015年 3Heを使った冷却試験 THeII < 1K UCN生成 proton current 増強 1μA → 10μA TRIUMF移設 • beam power増強 → 40μA ＠ TRIUMF • マシンタイム年間100日以上 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 19 buck up slide 2012/3/27 日本物理学会 第68回年次大会＠広島大学 20 超流動HeによるUCNの生成 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 kf d 4b 2 S ( q , ) dE ki 中性子の分散曲線 multi phonon excitation ki , k f : wavenumbe r S (q, ) : Dynamic stracture factor resonant energy (single phonon excitation) 1 meV single phonon excitation S(q,ħω） UCN Production rate d d( Ei ) P( Eu )dEu N He ( Ei Eu )dEi dEu dE dE kc3 d(q) 2q 2 dq P p( Eu )dE u N He 4b S q, m 3 dE 2 m n n 2 2 dispersion curve 2012/3/27 M. R. Gibbs, et al J. Low Temp. Phys. 120 (2000) 55 第68回年次大会@広島大学 21 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 22 Energy Spectrum 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 23 He-II (superfluid He) Cryostat • 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 24 3He-4He Heat Exchanger Inside 3He horizontal fins outside He-II perpendicular fins Outside 2012/3/27 Inside 第68回年次大会@広島大学 25 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 26 Cold Neutron Measurement 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 Experimental Layout 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 27 測定結果 Near Detector L = 2707mm peak = 1.8ms TD2O = 5K ピーク位置の移動によって中性子速度を計算 L 5219 mm 2707 mm 1600 m/s t 3.3 ms 1.8 ms → T = 160K Maxwell分布でfitしない理由 Far Detector L = 5219mm peak = 3.3 ms TD2O = 5K 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 28 D2Oの温度依存性 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 29 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 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 30 偏極UCNガイド素材の選定 シリカセル サンプル N off N on N off N on フェルミポテンシャル Ni 210neV SUS316 190neV BeCu 168neV OK シリカ 90neV 磁性を少しでも含む物はダメ 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 31 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) H0 = 20mGauss BeCu+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 32 5Kのデータ まずはガウスフィッティング Far Detectorの時 Peak Sigma Near 1760 μs 1220 μs Far 3300 μs 1660 μs Peak位置から速度を計算 Peak 内挿点はほぼ0点 3300us Sigma 1660us 1220us 1760us 02012/3/27 Near 750usのオフセット Far 0 第68回年次大会@広島大学 Near Far 1631m/s T = 161K 2700mm 5219mm Near Far 始めから広がりを持っている •geometry 0 D2Oのサイズ : 1000mm 冷中性子の速度 1600m/s 始めの広がり625μs •Moderation time 33 Maxwell分布でフィット Near Detector Far Detector 温度 67.5K 温度 92K 始めの広がりをどう解析に入れるか？ 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 34 超電導マグネット Magnet design 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 35 偏極ＵＣＮガイド素材の選定 Polarizer 偏極ＵＣＮガイド素材 Potential Depolarization 上流 高い 低い Ni 210 neV • 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 36 DLC Potential Measurement 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 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 37 測定結果 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？ 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 k k (nm-1) fitting C6 F 6 2012/3/27 k’ VF k k ' 2 k k ' 2 R 2 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 第68回年次大会@広島大学 38 偏極UCNガイド素材の選定 シリカセル サンプル N off N on N off N on 2012/3/27 H0 = 20mGauss BeCu+DLC(C6F6) UCNの偏極緩和時間 ～200sec 第68回年次大会@広島大学 39 2012/3/27 第68回年次大会@広島大学 40
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