[論文レビュー] Coherent Neutron Scattering in Polycrystalline Deuterium and its Implications for Ultracold Neutron Production

C. M. Lavelle, D. J. Salvat+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2010

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、現実的な力テンソルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、多結晶正-D₂における中性子散乱断面積を第一原理から計算した。この手法では、 coherent 散乱、分子回転、格子振動ダイナミクスを統合的に取り入れた。その結果、超低温中性子（UCN）の上昇散乱断面積が、従来の非一様近似による予測と比較して2–4倍小さくなることが示され、UCN源設計の見積もりを顕著に見直すものとなった。

ABSTRACT

This paper presents a calculation of the neutron cross-sections in solid materials (used in practical neutron sources) with a large coherent scattering contribution. In particular, the dynamic structure function S(Q, $ω$) of polycrystalline ortho-D$_2$ is evaluated using a Monte-Carlo calculation that performs an average over scattering angles relative to crystal axes in random orientations. This method uses an analytical dispersion function with force constants derived from neutron scattering data of single crystal D$_2$ in the framework of an axially symmetric force tensor. The resulting two dimensional map of S(Q, $ω$) captures details of the phonon branches as well as the molecular rotations, that can be compared directly to data from inelastic neutron scattering on polycrystalline D$_2$. This high resolution information is used to calculate the absolute cross-sections of production and upscattering loss of ultracold neutron (UCN). The resulting scattering cross-sections are significantly different, especially for UCN upscattering, from the previous predictions using the approach centered on the incoherent approximation.

研究の動機と目的

• 超低温中性子（UCN）の文脈において、固体重水素における中性子散乱をモデル化するにあたり、非一様近似（IA）の限界を解消すること。
• 多結晶正-D₂における、coherent 散乱、分子回転、集団励起（フォノン）を統合した一貫した散乱モデルを構築すること。
• UCN生成および上昇散乱の正確な絶対断面積を計算し、中性子源設計の最適化に不可欠な情報を得ること。
• 10 K以上の温度で観測される実験的UCN収率データと、従来の理論的予測との乖離を解消すること。

提案手法

• モンテカルロシミュレーションにより、結晶方位および結晶軸に対する散乱角のランダムな平均を取ることで、動的構造因子 S(Q, ω) を計算した。
• 単結晶D₂における中性子散乱データから導出された軸対称的力テンソルを用い、現実的なフォノン分散をモデル化した。
• coherent 非弾性散乱、非一様散乱、およびスピン統計とフェルミ・ディラック統計に従う回転励起を含むモデルを構築した。
• 全散乱カーネルをモンテカルロ輸送コードに組み込み、固体D₂内での中性子エネルギーのダウンスキャッタリングおよびアップスキャッタリングをシミュレートした。
• シミュレートされた S(Q, ω) マップを、多結晶D₂における実験的非弾性中性子散乱データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。
• UCN上昇散乱断面積は、シミュレートされたUCN収率を実験データにフィッティングすることで抽出し、非一様近似との比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多結晶正-D₂における coherent 散乱は、動的構造因子 S(Q, ω) およびそれによる中性子散乱断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 分子回転およびフォノンモードは、固体重水素における超低温中性子の上昇散乱にどのような影響を及えるか？
• RQ3 本モデルによるUCN上昇散乱断面積の予測は、広く用いられている非一様近似との間に、どのように相違を示すか？
• RQ4 なぜ実験的UCN収率データは、非一様モデルの予測よりも10 K以上の温度でより急激な温度依存性を示すのか？
• RQ5 coherent 散乱効果は、固体重水素モダレーターにおける中性子減速および位相空間圧縮に、どの程度影響を及えるか？

主な発見

• 本モデルは、フォノン分岐および分子回転モードを含む、多結晶D₂におけるS(Q, ω)の詳細構造を正確に再現した。
• 関心のある温度範囲において、固体D₂におけるUCN上昇散乱断面積は、非一様近似による予測と比較して2～4倍小さくなった。
• 10 K以上の温度で、上昇散乱断面積が1 barnを超える領域では、非一様近似は2σ以上で除外された。
• FP12、PSI、UCNA実験からの実験データは、非一様近似ではなく、本モデルの上昇散乱断面積を用いたシミュレーションと最も一致した。
• LANLおよびマインツの実験で観測された温度依存性の乖離は、窓なしUCNガイド内の蒸気相上昇散乱に起因するものであり、体積材料の性質とは無関係であると特定された。
• 開発されたモンテカルロアルゴリズムは、4He、O₂、N₂など、明確な準粒子分散が既知の他の材料に対しても一般化可能である。