Transcript BL05UCN実験計画

BL05UCN実験計画
今城想平, 清水裕彦 A, 三島賢二 B,
吉岡瑞樹 C, 北口雅暁 D, 日野正裕 D
and NOP collaboration
京大理, 名大理 A, 東大理 B,
九大理 C, 京大原子炉 D
超冷中性子: Ultra Cold Neutron
定義： 物質表面の有効Fermiポテンシャル以下の運動エネルギーの中性子.
通例, 研磨したニッケル表面 (245 neV) より低いエネルギーのもの.
速度:~ 6.8 m/s 以下, 波長: ~ 58 nm 以上.
多くの物質においてポテンシャルは斥力的＝容器中に溜められる.
UCN は微小な物理量の精密測定に有用である.
基本粒子の電気双極子能率(EDM)
既存のUCN源とEDM上限
フランスのILL
ポート出口での総フラックス: 3.3×104 UCN/cm2/s
ポート出口でのUCN密度: 110 UCN/cm3
EDM 容器内のUCN密度: ～30 UCN/cm3
中性子EDMの現在の上限 ： |dn| ＜ 2.9×10-26 e･cm
EDM実験用UCN源 (J-PARC P33)
LINAC
proton
UCN
Moderator & Converter
新設UCN源候補地
冷却にはスーパーサーマル法を用いる. 目標 3100～93000 UCN/cm3 (実験容器中)
レンズ
粒子数
時間経過
速度に応じて
ばらける
bottle
位置
瞬間的だがきわめて濃い
このような光学的操作が可
能なら大きな強みになる.
R&D
始状態にまで回復させる装置 (Rebuncher) を開発中.
たとえば、先に到着した高速な UCN ほど減速量を大きくする.
UCNがパルス構造を持てば可能.
MLF のパルス中性子ビームで R&D ができると便利.
Doppler Shifter
LINAC
MLF
・最低 1 cps あればR&Dができる.
・1 UCN/cm3 の密度を達成できれば標準
レベルのUCN基礎物理実験(e.g. 中性子寿
命測定)も可能になる.
Doppler Shifter とは
鏡の慣性系
実験室系
Beam
鏡
減速粒子
取り出し口
回転
325 mm
弾性散乱
ドップラーシフト
逃げる鏡に中性子を反射させ、ドップ
ラー効果によって中性子を減速させる。
mirror
Vm⊥
Vn⊥
Vr⊥
neutron
Vr   Vn  2Vm
鏡面速度の2倍の速度の粒子を
UCN化
狭い波長帯をピンポイントでUCN化する.
本 Doppler Shifter の特徴
本装置では京大原子炉で研究
された多層膜ミラーを使用.
(製作者：日野氏)
世界最高の反射能力
68 m/s の中性子を垂直にBragg反射できる.
( ニッケル鏡面の全反射臨界運動量の10倍)
136 m/s の中性子を正面反射で UCN 化できる.
30 mm
30 mm
装置に搭載した鏡.
Bragg反射で中性子を反射.
反射率 40%
サーボ制御により回転位相を±0.05°の正確さで固定する
ことができる.
セッティング
136 m/s 前後を蹴
り出せているかを
TOF で確認.
136 m/s
全体図
・ ソースからのTOF
距離: 約18m
・ TOFのトリガー:
陽子ビーム入射
±4 %
Pb & B4C 遮蔽体
単色化ミラー
UCN3He detector
3He
detector
UCN
UCN
白色中性子
136 m/s
2次元
検出器
2次元
検出器
Beam
2次元
検出器
Beam
(RPMT)
実験結果
6.8 m/s
減少が見られた.
全出力(黒い線の積分値)は 1.152±0.005 cps.
反射された粒子の出力(青い線の積分値)は 0.319±0.017 cps.
6.8 m/s より速い粒子も反射されてる。
シミュレーションによる解析
ニッケルの反射率に由来
アルミ(検出器の開口部)
の透過率に由来
実測値(黒線: ニッケルなし － ニッケルあり)
とシミュレーション(赤線)との比較。
R
反射率の表式。
 E     E  U 
E 1/ 2  E  U 1/ 2
1/ 2
R 
2
1/ 2 2
E
R
E
シミュレーション中のUCN 成分は 60 nm ～115 nm で有効。
この範囲に絞った場合、計数率は 0.16±0.02 cps.
シミュレーションでおおよそ
再現できている。
この成分について
は不明. 解析中.
ドップラーシフターはほぼ予想通り
動作している。
強度を上げるには
保存力の下では粒子の位相空間密度は一定（Liouvilleの定理）

   , H   0
t
ドップラーシフターは保存力を
用いた減速装置。
=
入射ビームの位相空間密度が上限値。
装置の性能によらず上限は決まっている。
距離、速度で構成される６次元空間中のどれだけの体積を
有効活用できているかが強度を決める。
vz
たとえば、UCNは半径 6.8 m/s の球内に限られる。
vx
vy
空間体積が固定ならあとはこの球内をどれだけ使えるか。
位相空間密度の見積もり
減速した中性子からＵＣＮのみ抜き出すと速度空間中では円盤状になる。
シミュレーションから求まる位相空間密度を実験値で規格化する。
3次元ヒストグラムの体積素に体積素
あたりの粒子の存在比をかけて積算。
空間体積 44 cm3, 速度体積 55 (m/s)3
UCN生成は入射3パルスに1回。
UCN取り出し効率 3.9%(シミュレーション)
120 kW でのUCN出力 0.16 cps(実験値)
鏡の反射率 約40 %(実験値)
0.012 / cm3 / (m/s)3 / s @120 kW
3.3 / cm3 / (m/s)3 / s @1 MW (Cold)
120 kW のVCNは2桁減。
入射ビームの範囲では有効に使えて
いると思われる。
UCN増加の余地
この円盤が現在使用されている領域。
今回の見積もりでは単純計算で
96% が空き領域
円盤の中心部（低発散領域）は有効に
使えている。今回の見積もりでは増や
せて2倍。
単純な見積もりであと45倍ほど増
やす余地がある。
速度球
できそうなこと
• 加速器の増強を待つ。→入射ビームの位相空間密度が底上げされる。
• 鏡を大きくする。→空間体積を大きく取ることで速度球内の粒子を増やす。
• 入射ビームの発散を増やす。→速度球内の未使用領域を増やす。
J-PARC MLF BL05 上流部の改造
proton
Hg target
現在、このコンクリート内にはホウ素を焼
結した長さ 4.2 m のダクトが入っている。
neutron
この部分をニッケルを蒸着したダクトに
交換する。
136 m/s のVCNについては、単純計算で 50 mrad までの発散角のビームを
下流まで導くことができる。
改造結果のシミュレーション
ビーム進行軸(z軸) に対する速度ベクトルの発散角の分布
現状
改造後
フラックスは理想的には60倍にまで上昇する。一方で発散も±50mrad まで増える。
6.8 m/s 球内部の未使用部分の使用量を増やせる。
ＵＣＮは増える。 ただし発散の大幅増加と引き換え。
シミュレーション結果(取り出し口)
入射ビームを集光せずにそのまま使用した場合のシミュレーション。
波長スペクトル
UCN増加率
取り出し口地点でのUCN出力の上昇は1.5～2倍程度。
シミュレーション結果(チャンバー直上)
検出器が本体のチャンバー直上にあったと仮定した場合の結果。
波長スペクトル
UCN増加率
3～5倍に上昇している。
この地点でのUCN量は取り出し口地点の4倍 → 最大で12～20倍の増加。
発散角比較(1Qcなし)
ドップラーシフター
ILL TES
発散角比較(1Qcあり)
ドップラーシフター
ILL TES
現状のセッティングをそのまま使用しただけでは…
ここで 79%損失
Pb & B4C 遮蔽体
単色化ミラー
ここでさらに 18%損失
3He
detector
2次元
検出器
白色中性子
136 m/s
(RPMT)
ビームをなるべくドップラーシフター内に導けるようなガイド管を設計中。
まとめ
 J-PARC MLF BL05 にてドップラーシフターを用いて 0.16 cps の
UCN出力を確認したが、R&D に用いるには出力が最低10倍は必要
である.
 ドップラーシフターには加速器の増強が無くとも45倍の出力上昇を
見込める余地があると推定される。ただしUCNの発散は大きくなる。
 最下流のダクトを交換することでこれまでの60倍のVCN入射が見
込めるようになり、発散を無視すれば 120 kW の加速器出力でも最
大で約 3 cps のUCN出力が得られるようになる。
今後の展開
 最下流のダクトを交換する計画は現在進行中。
 入射VCNをより多く使用できるような集光ガイド管を設計中。