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パルス中性子源を用いた 高密度超冷中性子発生法

パルス中性子源を用いた 高密度超冷中性子発生法. 三島賢二、岩下芳久 A 、北口雅暁 A 、清水裕彦、吉岡瑞樹 KEK, 京都大学 A. 日本物理学会 2010 年秋季大会　 2010/09/13 九州工業大学戸畑家キャンパス. Physics target is Neutron EDM. We need more and more density in EDM cell. For statistic Smaller cell size and slower UCN velocity can reduce the systematic error.

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パルス中性子源を用いた 高密度超冷中性子発生法

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  1. パルス中性子源を用いた高密度超冷中性子発生法パルス中性子源を用いた高密度超冷中性子発生法 三島賢二、岩下芳久A、北口雅暁A、清水裕彦、吉岡瑞樹 KEK, 京都大学A 日本物理学会2010年秋季大会　2010/09/13 九州工業大学戸畑家キャンパス

  2. Physics target is Neutron EDM We need more and more density in EDM cell. • For statistic • Smaller cell size and slower UCN velocity can reduce the systematic error. とにかく高(位相空間)密度のUCNが欲しい！! J-PARC Pulse beamを使ったUCN生成方法について説明する。

  3. リウビルの定理（Liouville‘s theorem）による制限 • 保存力で記述される時間発展に対しては位相空間の体積は保存される。 簡単に言うと • ポテンシャルでは位相空間密度は増えたり減ったりしない。（もちろんlossがなければの話） • UCNは速度がvc以下という条件があるので 位相空間密度一定　＝　空間密度 つまりポテンシャルによってUCN密度を増やすことはできない。

  4. UCN密度を増やすには 保存場(ポテンシャル)では位相空間密度は増えないので、モデレーター以前で増やす必要がある。 中性子の数を増やす。 温度を下げる。(UCN converter) 温度が十分に低い場合、平衡状態に達するまでに時間がかかる。 その場合のUCN密度は  [UCN/cm3] = P [UCN/cm3/sec]   [sec] となる。  : UNC density [UCN/cm3] P: Production rate [UCN/cm3/sec]  : Storage time [sec]

  5. J-PARC Linac for spallation source

  6. Specification of J-PARC Linac 注目！！ パルス性能をうまく使えないか？

  7. UCN生成の計算 • Φboltzmann = 6.2 x 1011 n/cm2/pulse (10kJ) • Production Rateを1.0x10-8 Φboltzmannとすると • ρUCN = 6200 UCN/cm3/pulse

  8. Production of UCN by a Pulse • ρUCN = 6200 UCN/cm3/pulse Cold Neutronの発生時間はたった1.3msしかない。 Maximum UCN density = P × τ 蓄積時間τの最大は140 ms(4K-D2) なので 原理的にはあと100倍増やすことが可能。 UCN Juggler Decay time ~1.3 ms Time structure of Cold neutron flux in D2 converter

  9. UCN production and storage(DC beam) Production Rate fixed as 1 for simplicity. Production and loss rate is at equilibrium condition. 0 t0  Converter UCN density Beam  0 Time t0

  10. UCN production and storage( DC beam with cell) Converter to Cell, and Cell to Converteris at equilibrium. 0 t0/2  Converter 0 t0/2  UCN density Beam 2 0 Time t0 Achievable UCN density is independent for cell volume.

  11. UCN production and storage(Pulse beam) For D2 converter ~ 146 ms t0~ 40 ms to 500ms t~ 0.5 ms t t exp(-t0/) +t 0 Converter UCN density t t Beam 2t0 t0 Time 0 UCN density never achieve to 

  12. How to Achieve to  limit Loss in the converter is critical. UCN have to out of the converter until next pulse. 0 t 0 0 0 Converter t 0 t 2t 0 UCN Juggler Escape from converter Return to converter UCN density t t Beam t0 2t0 Time 0 Finally UCN density achieve to P !!

  13. Possible scheme of UCN Juggler • Rebuncher をミラーにフォーカスする。 • ミラーで反射したUCNを、再び • Rebuncherでターゲットに戻す。 • 戻るタイミングに合わせて • 　　 陽子ビームを照射。 • その時発生するUCNと戻ってきた • UCNの位相空間は同じ位相空間 • 　　 に入る。 • 1)~3)　繰り返し • 4) ミラーを開けてUCNを取り出す。

  14. Another Solution Sextupole like magnetic field returns neutron on a same time. Converter Neutron is focused onto Initial position independently divergence velocity. 1T for 60neV

  15. Ideal Maximum of UCN density (for sD2) • By 400MeV-50mA-0.5ms (10kW) pulse, ρUCN = 6200 UCN/cm3/pulse. • Moderation time of cold neutron is 1.3 ms (FWHM). • If UCN Juggler is ideally working, UCN density can achieve ρUCN = 6200 UCN/cm3 (146ms/1.3ms)  1/2 = 3.5  105UCN/cm3 • Note: Temperature increase is 0.15K for a pulse.

  16. Problem of UCN juggler • Spin exchange is critical for magnetic juggler. ex. Incoherent scattering of D2, depolarization etc.(Spinless nuclei, 4He, 16O, or 208Pb can be the candidate) • Loss of rebuncher must be less than 1%. • Off-specular reflection of UCN mirrors are critical (99.3% for DLC coated float glass). F.Atchison et al, Eur.Phys.J.A44(2010) 23 • Juggler can produce high density, but same UCN number (only smaller volume produced).

  17. Summary • 中性子EDM実験のためのUCN源を検討中。 • 1pulse (50mA, 0.5ms)でConverter内densityで 6200/cm3に到達する計算。 • J-PARCLINAC(Peak Power 20MW)を有効に使う方法として”UCN Juggler”を提案。 • 今後システムとしての蓋然性を検証していく予定。

  18. SuperthermalConverters *Frei et al., http://arxiv.org/abs/0911.4398v1 EUCN=252 neV を用いた。

  19. Superthermalmethod • 中性子の温度が低くなると（Tn<20K）、非弾性散乱を引き起こす準位がなくなってくるので、減速材の温度が低くても中性子は冷えなくなってくる。 • そこからUCNに行く場合はボルツマン統計では扱えない。 • 中性子は平衡状態まで冷えないので熱的非平衡を扱う。 温度が十分に低い場合、UCN密度は  [UCN/cm3]= P[UCN/cm3/sec][sec] となる。  : UNC density [UCN/cm3] P: Production rate [UCN/cm3/sec]  : Storage time [sec]

  20. Schematic View of UCN source Target：　Lead(φ10cm20cm) Shield： Lead(30cm30cm15cm) Conveter： He-II or D2(φ10cm20cm) 20K Moderator： Liquid D2(φ20cm30cm) 300KModerator： Heavy Water(50cm  φ50cm) Reflector：　Graphite(100cm  φ100cm) by Tyosioka

  21. Schematic View of UCN source(3D)

  22. 計算結果(neutron flux)

  23. Cold Neutron Flux [2] Z-Ch. Yu et al. Condensed Matter 62, (1986)137 • 10meV以上のPhonon Densityはほとんど0なので(左図)、右図で10meV以下のsumを • 　コンバータ中での冷中性子束とする。

  24. Production Rate • Cold Neutron Flux Φboltzmann = 6.2 x 10^11 n/cm2/pulse • Production Rateを1.0x10-8 Φboltzmannとすると • ρUCN = 6200 UCN/cm3/pulse (Boltzmann) • Heat load • Heat load on D2 cell is 3W/pulse. • It correspond to 152mK/pulse • ちなみに20MWDCだと1秒で300Kの温度上昇。

  25. 参考文献 • [1] R.Golub, D.J.Richardson, and S.K.Lamoreaux, “Ultra cold neutron”, Adam Hilger, Bristol (1991) • [2] Dissertation of Chen-Yu Liu, “A Superthermal Ultra-Cold Neutron Source”, Princeton University, (2002) • [3] K. Tesch, Radiat.Protec.Dosim. 11 (1985)165 • [4] K.Mishima et al., Proceeding of ICANS 15th Meeting of the InternationalCollaboration on Advanced (2000) • [5] R.Golub et al., Z.Phys.B 51(1983) 187 • [6] Y.Masuda, 提案書(2007) • [7] A.Serebrov et al., PNPI Preprint 2359(2000) • [8] P.G.Harris et.al., Phys.Rev.Lett. 82, 904 (1999)  • [9] S.Arzumanov et.al., Phys.Lett. B483, 15 (2000) • [10] V.V.Nesvizhevsky et.al., Nature 415, 297 (2002) • 「11」 Dissertation of Kenji Mishima, “Irradiation effect of Ortho deuteriumfor UCN source”, Osaka University, (2004)

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