1 - 超冷中性子を用いた時間反転不変性の検証

Report
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, Yunchan SinC
Edgard PierreC
2012/3/27
日本物理学会 第68回年次大会@広島大学
1
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
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2
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
~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
超冷中性子の生成
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
Spallation Neutron (熱中性子)
D2O Moderator (300K, 20K)
Superfluid He (HeII)のphonon散乱
2012/3/27
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3
世界のUCN計画
Source Type
Max
energy
Ec [neV]
Lifetime [s]
neutron
Moderator
UCN密度
[UCN/cm3]
ρ∝Ec3/2
Ours @ RCNP
Spallation
He-II
[email protected]
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
**
2012/3/27
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4
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/cm3 Ec = 90neV
UCN生成数
2012/3/27
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5
Vertical Source
 UCN  Production
rate P  Storage lifetime

Year
IP
τs
THeII
Improvement
2002
200nA
14 s
1.2K
June 2006
1μA
29 s
0.9K
3He
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℃)
cryostat
Finally, UCN density 26 UCN/cm3 Ec = 90neV
6
新UCN源 (Horizontal型)
重力によるカット
UCNエネルギースペクトル
(Geant 4シミュレーション)
•
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
2012/3/27
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7
新UCN源製作状況
He冷凍器
UCNガイド 固体重水槽
2012/3/27
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8
!! 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。。。
2012/3/27
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9
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-II temperature < 1K
•He-II cryostat
•Cooling by He pumping
•1st 4He 1 ~ 2 K
•2nd 3He < 1K
2012/3/27
[email protected]
10
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
2012/3/27
[email protected]
11
Cryostat System
2012/3/27
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12
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)
Polarizer
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
B
10T
100μm Al window
3.5T
1T
100mT
超流動He
10mT
Al window
magnet
0 5cm 20
60
80
100
マグネット中心からの距離 (cm)
10μm Al foil
2012/3/27
40
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13
新UCN源製作状況
He Cryostat
SC Polarizer
D2O Moderator
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
2012/3/27
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14
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
– Cooling Test
5倍
• 今後の計画
– 2013年夏
– 2013年秋
– 2015年
3Heを使った冷却試験
THeII < 1K
UCN生成
proton current 増強 1μA → 10μA
TRIUMF移設
• beam power増強
→ 40μA @ TRIUMF
• マシンタイム年間100日以上
2012/3/27
[email protected]
15
TRIUMF移設
2012/3/27
[email protected]
16
2012/3/27
[email protected]
17
2012/3/27
[email protected]
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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
– Cooling Test
5倍
• 今後の計画
– 2013年夏
– 2013年秋
– 2015年
3Heを使った冷却試験
THeII < 1K
UCN生成
proton current 増強 1μA → 10μA
TRIUMF移設
• beam power増強
→ 40μA @ TRIUMF
• マシンタイム年間100日以上
2012/3/27
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buck up slide
2012/3/27
日本物理学会 第68回年次大会@広島大学
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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
d
中性子の分散曲線
 4 b
kf
2
dE
multi phonon excitation
S (q,  )
ki
k i , k f : wavenumbe
S ( q ,   ) : Dynamic
stracture
factor
resonant energy (single phonon excitation)
1 meV
single phonon excitation
S(q,ħω)
r
UCN Production rate
d
 d ( Ei )

P ( E u ) dE u   
N He
( E i  E u ) dE i  dE u
dE
dE


2
P 
dispersion curve
2012/3/27

2 2
   k c3  d  ( q ) 
 q


p ( E u ) dE u  N He 4  b 
S
q
,






dE
2mn

 mn  3 
2
 
 dq 

 
M. R. Gibbs, et al
J. Low Temp. Phys. 120 (2000) 55
[email protected]
21
2012/3/27
[email protected]
22
Energy Spectrum
2012/3/27
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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-II temperature < 1K
•He-II cryostat
•Cooling by He pumping
•1st 4He 1 ~ 2 K
•2nd 3He < 1K
2012/3/27
[email protected]
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3He-4He
Heat Exchanger
Inside
3He
horizontal fins
outside
He-II
perpendicular fins
Outside
2012/3/27
Inside
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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
2012/3/27
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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
2012/3/27
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27
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
L
t

5219 mm  2707 mm
3 . 3 ms  1 . 8 ms
 1600 m/s
→ T = 160K
Maxwell分布でfitしない理由
Far Detector
L = 5219mm
peak = 3.3 ms
TD2O = 5K
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
2012/3/27
[email protected]
28
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
2012/3/27
[email protected]
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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
2012/3/27
[email protected]
30
偏極UCNガイド素材の選定
シリカセル
サンプル
 
N off  N on
N off  N on
フェルミポテンシャル
Ni
210neV
SUS316 190neV
BeCu
168neV
OK
シリカ
90neV
磁性を少しでも含む物はダメ
2012/3/27
[email protected]
31
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
2012/3/27
[email protected]
32
5Kのデータ
まずはガウスフィッティング
Far Detectorの時
Peak
Sigma
Near
1760 μs
1220 μs
Far
3300 μs
1660 μs
Peak位置から速度を計算
Peak
内挿点はほぼ0点
3300us
Sigma
1660us
1220us
1760us
02012/3/27
Near
750usのオフセット
Far
0
[email protected]
Near
Far
1631m/s
T = 161K
2700mm 5219mm
Near
Far
始めから広がりを持っている
•geometry
0
D2Oのサイズ : 1000mm
冷中性子の速度 1600m/s
始めの広がり625μs
•Moderation time
33
Maxwell分布でフィット
Near Detector
Far Detector
温度 67.5K
温度 92K
始めの広がりをどう解析に入れるか?
2012/3/27
[email protected]
34
超電導マグネット
Magnet design
2012/3/27
[email protected]
35
偏極UCNガイド素材の選定
Polarizer
偏極UCNガイド素材
Potential
Depolarization
上流
高い
低い
Ni 210 neV
• 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
2012/3/27
[email protected]
36
DLC Potential Measurement
中性子反射率測定 @ KUR
Direct Beam
[email protected]
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
2012/3/27
[email protected]
37
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 (nm-1)
fitting
C6 F 6
2012/3/27
k’
VF
k  k '
2
k  k '
2
R
2

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
[email protected]
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偏極UCNガイド素材の選定
シリカセル
サンプル
 
N off  N on
N off  N on
2012/3/27
H0 = 20mGauss
BeCu+DLC(C6F6)
UCNの偏極緩和時間 ~200sec
[email protected]
39
2012/3/27
[email protected]
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