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超流動ヘリウムを用いた 次世代超冷中性子源の開発 V

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

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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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Presentation Transcript

  1. 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, YunchanSinC Edgard PierreC

  2. 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 第68回年次大会@広島大学

  3. 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 ～5m/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 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 高強度UCN源の必要性 第68回年次大会@広島大学

  4. 世界のUCN計画 第68回年次大会@広島大学

  5. 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/cm3Ec = 90neV UCN生成数 第68回年次大会@広島大学

  6. Vertical Source Finally, UCN density 26 UCN/cm3Ec = 90neV

  7. 新UCN源 (Horizontal型) 重力によるカット • 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 UCNエネルギースペクトル (Geant 4シミュレーション) 第68回年次大会@広島大学

  8. 新UCN源製作状況 He冷凍器 UCNガイド　固体重水槽 第68回年次大会@広島大学

  9. !! 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。。。 第68回年次大会@広島大学

  10. 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-IItemperature　＜ 1K • He-II cryostat • Cooling by He pumping • 1st4He1 ～ 2 K • 2nd3He < 1K 第68回年次大会@広島大学

  11. 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 第68回年次大会@広島大学

  12. Cryostat System 第68回年次大会@広島大学

  13. 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) 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 Polarizer B 10T 3.5T 100μm Al window 1T 100mT 超流動He 10mT Al window magnet 5cm 0 20 40 60 80 100 10μm Al foil マグネット中心からの距離 (cm) 第68回年次大会@広島大学

  14. 新UCN源製作状況 He Cryostat SC Polarizer D2O Moderator UCN Guide proton beam 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 第68回年次大会@広島大学

  15. 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 第68回年次大会@広島大学

  16. TRIUMF移設 第68回年次大会@広島大学

  17. 第68回年次大会@広島大学

  18. 第68回年次大会@広島大学

  19. 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 第68回年次大会@広島大学

  20. buck up slide

  21. 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 中性子の分散曲線 multi phonon excitation resonant energy (single phonon excitation) 1 meV single phonon excitation S(q,ħω） UCN Production rate dispersion curve M. R. Gibbs, et al J. Low Temp. Phys. 120 (2000) 55 第68回年次大会@広島大学

  22. 第68回年次大会@広島大学

  23. Energy Spectrum 第68回年次大会@広島大学

  24. 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-IItemperature　＜ 1K • He-II cryostat • Cooling by He pumping • 1st4He1 ～ 2 K • 2nd3He < 1K 第68回年次大会@広島大学

  25. 3He-4He Heat Exchanger Inside 3He horizontal fins outside He-II perpendicular fins Inside Outside 第68回年次大会@広島大学

  26. 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 第68回年次大会@広島大学

  27. 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 第68回年次大会@広島大学

  28. 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 →　T = 160K 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 Far Detector L = 5219mm peak = 3.3 ms TD2O = 5K 第68回年次大会@広島大学

  29. 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 第68回年次大会@広島大学

  30. 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 第68回年次大会@広島大学

  31. 偏極UCNガイド素材の選定 シリカセル サンプル フェルミポテンシャル Ni 210neV SUS316190neV BeCu 168neV シリカ 90neV OK 磁性を少しでも含む物はダメ 第68回年次大会@広島大学

  32. 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 第68回年次大会@広島大学

  33. 5Kのデータまずはガウスフィッティング Far Detectorの時 Peak位置から速度を計算 1631m/s T = 161K 2700mm Near 5219mm Far 0 Peak Sigma 内挿点はほぼ0点 • 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 1660us 3300us 1220us 1760us 750usのオフセット 第68回年次大会@広島大学 0 Near Far 0 Near Far

  34. Maxwell分布でフィット Near Detector Far Detector 温度 92K 温度　67.5K 始めの広がりをどう解析に入れるか？ 第68回年次大会@広島大学

  35. 超電導マグネット Magnet design 第68回年次大会@広島大学

  36. 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 Polarizer • 偏極ＵＣＮガイド素材 • Potential 高い • Depolarization 低い • 上流　　Ni 210 neV 第68回年次大会@広島大学

  37. DLC Potential Measurement 中性子反射率測定 @ KUR • 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 Direct Beam 第68回年次大会@広島大学

  38. 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’ VF k (nm-1) fitting C6F6 第68回年次大会@広島大学

  39. 偏極UCNガイド素材の選定 シリカセル サンプル 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

  40. 第68回年次大会@広島大学

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