BL05 ビームライン概要

2010/11/05@KEK

高エネルギー加速器研究機構　物質構造科学研究所

中性子研究系　特任助教三島賢二

J-PARC　 Spallation Neutron Source

JSNS

BL05 : Neutron Beamline for Fundamental physics

Coupled moderator Φn ~ 5108 /cm2/sec/MW (in 100str)

BL05 for Fundamental physics

The Concept of Beam Line Design

Low Divergence

Polarization

Unpolarization

The neutron beam is divided to 3 branches

Iron & Concrete Shield

7m

moderator

0m

12m

16m

Fast Neutron

Biological Shield

2D beam slit for each branchat 12m

s

Design of Beam Optics

[cm]

Polarization Branch

Experiment Beta decayMirror Magnetic Supermirror(2.8Qc)Configuration Polygonal approximation 12unit 0.262 deg. (R=82m)Cross-section 40mm 100mmChannel 4chBender Length 4.5 m (375mm 6 2)Bending Angle 3.14 deg.

View of the Optics from Upstream

7m from moderator

Low Divergence Branch

Experiment Interferometer Mirrors Supermirror (3Qc)Configuration 2 mirrorsCritical Angle 0.95 deg.Bending Angle 3.85 deg.

Unpolarization Branch

Experiment UCN&ScatteringMirrors Supermirror (3Qc)Configuration Real Curve Curvature 100mCross-section 50mm 40mmChannel 5chBender Length 4.0 m (2.0m 2)Bending Angle 2.58 deg.

Mishima et al., NIMA 600 (2009) 342–345

Neutron Flux and BackgroundTop and Side View of Optics and Shield

Radiation Dose at 1MW Calculated by Monte Calro simulation package PHITS2.12

評価点計算 : 6 Sv/h@1MW実測 : 2 Sv/h@1MW

Supermirror bender in assembly

Nov. 2008

NOP beamline completed!!

Dec. 4, 2008

ビームライン ( 実験スペース ) 拡張

run #35(2010 年 10 月 ) にビームをコリメートし (12060→ 8050 ) 鉛ビームキャッチャーを下げることによって実験スペースを拡張。

実験エリア 16 ～ 20m 　　　　　　　　　 　　↓　　　　　　　　　　　　　　　 　 16 ～23m

より大きな実験装置に対応可能になった。し

ビームフラックスの測定

ベンダー上流 (7.7m)非偏極下流 (16.2m)偏極下流 (16.2m)低発散下流 (16.2m)

以下の場所で中性子フラックス (TOF 分布 ) を測定、シミュレーションと比較した。

ベンダー上流 (7.7m)ベンダー上流 (7.7m) に 3He ビームモニターを設置。

3He ビームモニター ~ 10-5

Φ10mm の 6LiF で中性子ビームをコリメートしている。

ただしバックグラウンドの影響大。 30%程度の系統誤差あり。要検出効率の再評価。

~62%

偏極下流 (16.2m)

B4C+ 鉛で 20mm 角にビームをコリメート。上流スリットは全開。検出効率 ~ 10-4

フラックスは計算の 32% であった。ただし、スペクトルの形はおおよそ一致しているが、 0.35nm あたりが計算より少ない。

Polarization Branch Slit Scan

0

13.1

14.7

54.7

55.7

68.4

26.5

82.1

98.0

109.1

BL04 側 slit 可動範囲BL06 側 slit 可動範囲

Low

er s

lit可

動範

囲U

pper

slit

可動

範囲

28.0

78.0

非偏極下流 (16.2m)

~47%

Φ10mm にコリメート

フラックスは計算の 47% であった。ただし、スペクトルの形はほぼ一致している。

UNPolarization Branch Slit Scan

0

11.8

15.7

51.8

57.7

68.5

2.5

56.959.065.6

BL04 側 slit 可動範囲

BL06 側 slit 可動範囲

Low

er s

lit可

動範

囲U

pper

slit

可動

範囲

15.6

非偏極の極冷中性子

Maxwell-Boltzmann 分布として Fitting 。 aは減衰係数。

中性子源の超長波長成分を測定。通常 Flame overlap で測定できない領域をMain ring 用に抜ける 320 ms (8 flame) を使って測定した。 3.5nm 程度までの連続スペクトルを観測。

計算 : 0.64 nm-1

実測 : 0.80 nm-1

Doppler shifter を用いて UCN に変換する。

低発散下流ビームプロファイル

2 回反射

1 回反射

XY X

Slit width x:1mm y:1mm

FWHM~2.7mm

シミュレーションとの比較

中心の強いところ 301mm をとる

低発散ブランチは位相空間密度( 単位発散あたりのフラックス ) を比較する。

>0.35 でのフラックスの比較Φ = 5.1105 cm-2 str-1 s-1 (48% of calculation)

Critical wavelength 計算： 0.23 nm 実測： 0.32 nmミラー (m=3) が予想より多い？

Neutron Spin Echo

ビームフラックスまとめ測定地点 フラックス (1MW 換

算 )シミュレーションとの比

ベンダー上流 (7.7m) 5.1108　 cm-2s-1 66%

非偏極下流 (16.2m) 9.4107　 cm-2s-1 47%

偏極下流 (16.2m) 3.9107 　 cm-2s-1 31%

低発散下流 (16.2m) 1.0106 cm-2str-1 s-1

5.1105 cm-2str-1 s-1

-48%*

*>0.35nm での比較

全体として計算の 1/2 であった。

まとめ

BL05 ビームラインは 2008 年 12 月に完成。2010 年 10 月に実験エリア拡張。 　 16~20m → 16~23m に。 ビームフラックスをベンダー上流と各ブラ

ンチ下流で測定。 TOF は再現したが、フラックスは全体として 1/2 程度であった。

Neutron bunching with Spin Flip Chopper

Polarizing supermirrors

Bunched beam is used for background reduction and fiducial volume definition. The contrast of 104 is possible by spin flip choppers.

Spin flipperRise time ~1s

Shield

Beam Catcher

e-

p

E

Window

TPC with 3He-4He-CO2 gas

1m

• Beam Size 　 2 cm2 cm

• Divergence 5 mrad• Beam Power 100 kW• Duty of chopper 10%

Then Φn = 8 105 n/sec

TPC length 1 m

β decay event rate ~ 1.1 count/sec

Soyama et al., Proceedings of ICANS XVI

Beam Condition of J-PARC Phase1 　

Ne , Np : Electron and proton counts e , p : Detection efficiencies3He : Atom density of 3He v0 : 2200 m/s s

3He(v0) : Cross section of 3He(n,p)3H at 2200m/s

Neutron life time measurement at J-PARC

nn

nee v

tN

nHeHenpp vtN 33

001

33

/

/vv

N

NHeHe

pp

een

Relative measurement with 3He(n,p)3H reaction3He(n,p)3H =5333 7 barn at 2200 m/s

3H3He

p

572 keV

190 keVn

p~400 eV

~350keVn

e-

10-6 decay/m

3He-4He gas Time projection Chamber

0033 vvvv HennHe Reaction rate is proportional to

1/vNeutron Lifetime is given as

Absolute neutron fluxes

High luminosity 　 1×108

(2.4×108) High polarization 4×107

(1.3×108)Small divergence 3×106

(1.2×107)

Measured by gold foil activation at 16 m on Dec. 11, 2008 for 20 kW

[n/cm2/s/MW]カッコ内はシミュレーション

PRELIMINARY