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

超冷中性子超冷中性子 : : UUltra ltra CCold old NNeutroneutron

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)

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

既存の UCN 源と EDM 上限

LINAC

EDMEDM 実験用実験用 UCNUCN 源 源 (J-PARC P33)(J-PARC P33)

新設 UCN 源候補地

protonUCN

Moderator & Converter

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 )

位置

粒子数時間経過

瞬間的だがきわめて濃い

速度に応じてばらける

レンズ

このような光学的操作が可能なら大きな強みになる .

bottle

R&DR&D

MLF のパルス中性子ビームで R&D ができると便利 .

Doppler ShifterLINAC

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 .

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 .

Doppler Shifter Doppler Shifter とはとは

鏡の慣性系 実験室系

弾性散乱 ドップラーシフト

Beam

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。

325 mm

mirrorneutron

Vr⊥

Vn⊥

mnr VVV 2Vm⊥ 鏡面速度の 2 倍の速度の粒子をUCN 化

鏡取り出し口

狭い波長帯をピンポイントで UCN 化する .

回転減速粒子

本 本 Doppler Shifter Doppler Shifter の特徴の特徴

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 .

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 .

30 mm

30 mm

Bragg 反射で中性子を反射 .装置に搭載した鏡 .

反射率 40%

Pb & B4C 遮蔽体

3He detector

単色化ミラー

136 m/s

白色中性子UCN 2次元

検出器2次元検出器

全体図

UCN

136 m/s 前後を蹴り出せているかを TOF で確認 .

136 m/s

(RPMT)

±4 %

Beam

3He detector

2次元検出器

UCN

Beam

・ ソースからのTOF距離 : 　約18m・ TOF のトリガー :陽子ビーム入射

セッティンセッティンググ

実験結果実験結果

減少が見られた .

6.8 m/s

反射された粒子の出力 (青い線の積分値 ) は 0.319±0.017 cps.

全出力 (黒い線の積分値 ) は 1.152±0.005 cps.

6.8 m/s より速い粒子も反射されてる。

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。

2

2/12/1

2/12/12

UEE

UEER

反射率の表式。

E

R

シミュレーションによるシミュレーションによる解析解析

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.

E

R

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

この成分については不明 . 解析中 .

シミュレーションでおおよそ再現できている。

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）

0,

Ht

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。

vx

vy

vz

たとえば、 UCN は半径 6.8 m/s の球内に限られる。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。

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 kW3.3 / cm3 / (m/s)3 / s @1 MW (Cold) 入射ビームの範囲では有効に使えて

いると思われる。

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。

120 kW の VCN は 2桁減。

UCNUCN増加の余地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

速度球

単純な見積もりであと 45 倍ほど増やす余地がある。

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。

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 J-PARC MLF BL05 上流部の改造上流部の改造

proton

neutron

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。

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改造結果のシミュレーションン

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。

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

シミュレーション結果シミュレーション結果 (( 取り取り出し口出し口 ))

取り出し口地点での UCN 出力の上昇は 1.5 ～ 2 倍程度。

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。

UCN増加率波長スペクトル

シミュレーション結果シミュレーション結果 ((チャンチャンバー直上バー直上 ))

3 ～ 5 倍に上昇している。

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。

UCN増加率波長スペクトル

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。

発散角比較発散角比較 (1Qc(1Qc なしなし ))

ドップラーシフター

ILL TES

発散角比較発散角比較 (1Qc(1Qc あありり ))

ドップラーシフター

ILL TES

Pb & B4C 遮蔽体

3He detector

単色化ミラー

136 m/s

白色中性子 2次元検出器

(RPMT)

ここで　 79%損失

ここでさらに　 18%損失

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。

現状のセッティングをそのまま使用しただけで現状のセッティングをそのまま使用しただけではは……

まとめまとめ

今後の展開今後の展開

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。

　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。