超流動ヘリウムを用いた 次世代超冷中性子源の開発 v

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

2012/3/27 第 68 回年次大会 @ 広島大学 2

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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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

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