[論文レビュー] High Voltage Test Apparatus for a Neutron EDM Experiment and Lower Limit on the Dielectric Strength of Liquid Helium at Large Volumes

J. Long, J. G. Boissevain+7 more|ArXiv.org|Mar 27, 2006

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超流動ヘリウム中の超低温中性子を用いた中性子電気双極子モーメント（EDM）実験のための高電圧試験装置を提示している。常温の液体ヘリウムが200 Lのドゥアラ内で7.5 cmのギャップに少なくとも90 kV cm⁻¹の電界を維持できることを実証し、漏れ電流は170 pA未満であった。超流動ヘリウムの下限は30 kV cm⁻¹であり、目標の50 kV cm⁻¹設計電界の約60％に達している。

ABSTRACT

A new search for a permanent electric dipole moment (EDM) of the neutron is underway using ultracold neutrons produced and held in a bath of superfluid helium. Attaining the target sensitivity requires maintaining an electric field of several tens of kilovolts per centimeter across the experimental cell, which is nominally 7.5 cm wide and will contain about 4 liters of superfluid. The electrical properties of liquid helium are expected to be sufficient to meet the design goals, but little is known about these properties for volumes and electrode spacings appropriate to the EDM experiment. Furthermore, direct application of the necessary voltages from an external source to the experimental test cell is impractical. An apparatus to amplify voltages in the liquid helium environment and to test the electrical properties of the liquid for large volumes and electrode spacings has been constructed. The device consists of a large-area parallel plate capacitor immersed in a 200 liter liquid helium dewar. Preliminary results show the breakdown strength of normal state liquid helium is at least 90 kV/cm at these volumes, at the helium vapor pressure corresponding to 4.38 K. These fields hold for more than 11 hours with leakage currents less than 170 pA (about 20% of the maximum tolerable in the EDM experiment). The system is also found to be robust against anticipated radiation backgrounds. Preliminary results for superfluid show that fields of at least 30 kV/cm can be sustained at the volumes required for the EDM experiment, about 60% of the design goal. These results are likely limited by the low pressure that must be maintained above the superfluid bath.

研究の動機と目的

• 中性子EDM実験に向け、大容量の液体ヘリウム中で数十kV cm⁻¹の電界を生成・維持できる高電圧試験システムの開発を目的とする。
• 中性子EDM実験に実用的である条件、すなわち大電極ギャップ（7.5 cm）および大体積（4 L）を想定した、常温および超流動液体ヘリウムの誘電破壊強度を測定することを目的とする。
• 液体ヘリウムが低温・超低バックグラウンド環境下での高電圧応用における誘電体としての可能性を評価することを目的とする。
• 中性子EDM実験で想定される放射線バックグラウンドおよび気泡形成に起因する一時的電流スパイクに対して、システムの耐性を評価することを目的とする。

提案手法

• 中性子EDM実験の実験セル条件を模倣するため、200 Lの液体ヘリウムドゥアラに沈めた大面積平行板コンデンサを構築した。
• 外部からの直接接続を避けるために、内部に電圧増幅システムを用いて高電圧を印加した。
• 電気的破壊が発生するまで電圧を段階的に上昇させ、漏れ電流を継続的にモニタリングすることで破壊強度を測定した。
• 気泡形成と静電容量変化に基づくモデルを用い、浮力および抵抗力によって生じる気泡の脱出時間を推定した。
• 体積効果スケーリング則 $ E_{b2} = E_{b1} (S_2/S_1)^{-1/m} $ を用いて、電界強度の低下を、電圧がかかる体積が増加することに起因して推定した。
• 流体力学的力（浮力、抵抗力（$ F_d = 12\tau\eta r v $）、慣性質量（$ F_{m'} = \frac{1}{2} V_b \rho_l \vec{a} $））を用いて気泡の脱出時間を計算し、運動方程式 $ \vec{a} - 2g + \frac{18\eta}{r^2\rho_l} \vec{v} = 0 $ を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子EDM実験に実用的である大容量（4 L）および電極ギャップ（7.5 cm）における常温液体ヘリウムの破壊強度は何か？
• RQ2 同じ実験条件下で、超流動ヘリウムは少なくとも30 kV cm⁻¹の電界を維持できるか？これは目標の50 kV cm⁻¹に近いか？
• RQ3 観測された一時的電流スパイクの原因は何か？それらは電極表面での気泡形成に起因するものとみなせるか？
• RQ4 気泡は電界ギャップ内にどのくらいの期間残留し、気泡分離後に予想される回復電流の大きさはどの程度か？
• RQ5 中性子EDM実験で想定される放射線バックグラウンドに対して、このシステムは耐性を示すか？

主な発見

• 4.38 K、7.5 cmの電極ギャップにおける常温液体ヘリウムの破壊強度は、少なくとも90 kV cm⁻¹であり、予想される設計目標を上回っている。
• 11時間にわたり漏れ電流は170 pA未満を維持し、中性子EDM実験の許容電流の20％未満にとどまっていた。
• 超流動ヘリウムの下限は30 kV cm⁻¹であり、目標の50 kV cm⁻¹の約60％に相当する。
• 一時的電流スパイクは、電極表面での気泡形成と整合的であり、0.1–1 mmの気泡に対して静電容量変化が0.5–5 fF程度と推定された。
• ギャップからの気泡脱出時間は100 ms以上と推定され、回復電流トランジェントは大多数の気泡に対して1 nA未満であり、システムのノイズフロア以下であった。
• 気泡に起因する静電容量変化のモデルは、観測された電流トランジェントを説明でき、実際の電荷蓄積を示すものではなく、データからフィルタリング可能であると示唆している。