超流動ヘリウムによる超冷中性子の発生

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作成： 2004/02/29 山内良麿データ番号　　　：040280 超流動ヘリウムによる超冷中性子の発生目的　　　　　　：超冷中性子の発生とその応用放射線の種別　　：アルファ線,ガンマ線,陽子,中性子放射線源　　　　：リングサイクロトロン(392MeV, 200nA) 利用施設名　　　：大阪大学核物理研究センターリングサイクロトロン施設照射条件　　　　：大気中応用分野　　　　：素粒子物理、核物理、固体物理、応用物理、放射線計測概要　　　　　　：　核破砕中性子源を用いて、超流動ヘリウム(He-Ⅱ) 中で、超冷中性子(UCN)を発生させ、実験に使える0.7 UCN/cm³ のUCN 密度を陽子ビームパワー78W, He-Ⅱ温度1.2Kで得た。この中性子源は、従来のUCN 源に比べて、極めて高い密度のUCN 発生の可能性を持っている。詳細説明　　　　：　超冷中性子( UCN (ultra-cold neutron) )は、エネルギーが極端に低く、波長が長い(～10^-⁷eV, λ≧600Å)ので、色々な物質の表面から全反射をするという特徴がある。この性質から容器に蓄えてコンパクトな中性子源として、素粒子・核物理学から物質科学等の広い分野の研究に利用することができる。現在最強のUCN 源は ILL (Institut Laue Langevin)で稼働中の、冷中性子源、特製縦式ビームガイドとタービンの組み合わせによるもので、～90 UCN/cm³ のUCN 密度が得られている。　　UCN の発生には、タービンを用いずに、He-Ⅱを利用する方法がある。近年 He-Ⅱからの低エネルギー中性子散乱に関する理論と実験両面からの研究が進み、中性子波長が9Åの所でエネルギーと運動量が中性子からHe-Ⅱフォノンへ効果的に移されることが明らかになった。He-Ⅱによる中性子の散乱では、中性子はこの波長で急激に冷やされ、この点でのUCN 発生の増大が観測された。ミュンヘン工科大のGolubらはILL のHFR(High Flux Reactor)からの中性子を使って、He-ⅡによりUCNを作り～20UCN/cm³のUCN密度を得たことを1983年にすでに報告している。しかし、原子炉中ではγ線による発熱がHe-Ⅱクライオスタットの働きを制限するという弱点があった。　　高エネルギー加速器研究機構のMasudaらは、核破砕中性子源を用いた He-Ⅱ中でのUCNの発生を2002年に報告している。このUCN 源の概略を図1に示す。原子炉による中性子源に比べて、核破砕中性子源の利点は、中性子束に対するγ線の比が小さいことである。UCN の発生は、大阪大学核物理研究センターのリングサイクロトロンからの392MeV,200nAのパルス化陽子ビームを直径5cm 長さ20cmの鉛ターゲットに撃ち込むことによって行われた。数MeVのエネルギーの中性子が核破砕反応でつくられ、常温の直径81cm、高さ60cmの重水モデレータで熱中性子領域まで冷やされる。熱中性子はさらに10Kの重水で冷やされ、冷中性子になる。熱中性子はさらに10Kの重水で冷やされ、冷中性子になる。冷中性子は、冷たいモデレータの中におかれた直径16cm 長さ60cmのHe-Ⅱ容器中でエネルギーを失ってUCNに変わり、UCNは直径8.5cmのガイド管を通してUCN 検出箱に拡散していく。He-Ⅱの温度は1.2Kに保たれている。He-Ⅱ容器からUCN 検出箱までのガイド管の長さは2.4mである。将来のUCN 実験には、実験槽がガイド管の終端に取り付けられることになる。　UCN検出箱には大小２種類の検出器用に、中性子入射窓として直径1.5cmと2.4cmの２つの孔が空けられる。UCNを測るために、⁶LiOHを被せた薄膜が窓に張られ、窓に入射した中性子は ⁶Li(n,α)t反応で三重陽子とα粒子を発生させる。　図1　Spallation UCN source. Neutrons are produced by a proton beam in a lead target and then moderated in a cold neutron region in 300-K and 10-K heavy water bottles. These cold neutrons are down scattered to UCN in a He-Ⅱ bottle. These UCN diffuse via an UCN guide to a detector, where they are measured. Copyright 2002 by the American Physical Society.（原論文1より引用）　　図2は発生したUCNの減衰スペクトルである。ビームを止めた後のスペクトル部分はHe-Ⅱ容器とガイド管の中に留まっているUCNの数を表す。陽子ビーム停止直後の計数率から検出器位置でのUCN 密度を見積もると、陽子ビーム78W, 貯蔵時間14s, He-Ⅱ温度1.2Kの場合で、UCN 密度は0.7 UCN/cm³であった。UCN 密度は貯蔵時間と陽子ビームパワーの積として得られる。現在の結果の単純な外挿を行うと、30kW陽子ビームと貯蔵時間100sでは、UCN 密度は2x10³UCN/cm³になる可能性がある。今後改良を行う所として、中性子源を中性子反射材で覆うこと、He-Ⅱ容器にベリリウムをコーティングすること、20Kの冷重水素モデレータを使う等により、さらにUCN 密度の増大を目指す。　図2　Neutron counts as a function of time for a 40s proton beam pulse. Squares represent proton-charge pulse counts. Diamonds and solid circles show the neutron counts of 2.4 and 1.5cm diam UCN counters at 1.2K, respectively. The vertical scale corresponds to counts per time bin for one cycle of proton beam pulse at 200nA. The time-bin width is 0.5s. Copyright 2002 by the American Physical Society.（原論文1より引用）　コメント　　　　：　UCNの発生に、従来のタービンを用いることなく、核破砕中性子源とHe-Ⅱを組み合わせることは、高密度 UCN 発生の一つの有力な方法である。しかし、現在得られているUCN発生の実験条件を単に外挿してUCN 密度 2x10³UCN/cm³ を得ることは容易ではない。今後はHe-Ⅱ中のUCN損失の低減、高密度 UCN に伴うHe-Ⅱ中の熱除去、その他の改良を進め、現在建設中の大強度加速器施設（J-PARC）による強力核破砕中性子源が利用できるようになれば、高密度UCN の発生が大いに期待できる。原論文１ Data source 1： Spallation Ultracold-Neutron Production in Superfluid Helium Y. Masuda, T. Kitagaki^*, K. Hatanaka^*^*, M. Higuchi^*^*^*, S. Ishimoto, Y. Kiyanagi^*^*^*^*, K. Morimoto, S. Muto, M. Yoshimura^*^* High Energy Accelerator Research Organization, Japan; ^*Faculty of Science, Tohoku Univ.; ^*^*RCNP, Osaka Univ.; ^*^*^*Faculty of Engineering, Tohoku Gakuin Univ.; ^*^*^*^*Faculty of Engineering, Hokkaido Univ. Physical Review Letters, 89, 284801-1～284801-4 (2002) 原論文２ Data source 2： Operation of a Superthermal Ultra-Cold Neutron Source and the Storage of Ultra-Cold Neutrons in Superfluid Helium⁴ R.Golub, C.Jewell^*, P.Ageron^*, W. Mampe^*, B.Heckel^*, I.Kilviington^*^* Physik Department E21, Technische Universitat Munchen; ^*Institut Laue Langevin, Grenoble; ^*^*Rutherford Laboratories, Oxford Zeitschrift fur Physik B, 51, 187-193 (1983) 原論文３ Data source 3： Observation of Ultracold-Neutron Production by 9-Å Cold Neutrons in Superfluid Helium H.Yoshiki^*, K. Sakai, M. Ogura, T. Kawai^*^*, M. Masuda^*, T. Takayama, S. Tanaka, A. Yamaguchi Bubble Chamber Physics Laboratory, Tohoku Univ.; ^*National Laboratory for High Energy Physics, Japan; ^*^*Research Reactor Institute, Kyoto Univ. ken 305, Japan Physical Review Letters, 68, 1323-1326 (1992) 原論文４ Data source 4： New Developments in Cold and Ultracold Neutron Research A Steyerl, S.S. Malik^* Fakultat fur Physik, Technische Universitat Munchen; ^*Department of Physics, University of Rhode Island, USA Physica 137B, 270-281 (1986) 参考資料１ Reference 1：中性子の閉じ込めと新しい超冷中性子源増田康博高エネルギー加速器研究機構日本物理学会誌、59, 300-307 (2004) キーワード：核破砕中性子源、超流動ヘリウム、超冷中性子、冷中性子、中性子散乱、中性子波長、重水、貯蔵時間 spallation neutron source, superfluid helium, ultra-cold neutron, cold neutron, neutron scattering, neutron wave length, heavy water, storage time 分類コード：040101, 040103, 040201, 040301
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