[論文レビュー] The Spallation Neutron Source: A Powerful Tool for Materials Research

T. E. Mason, T.A. Gabriel+4 more|ArXiv.org|Jul 19, 2000

Nuclear Physics and Applications被引用数 15

ひとこと要約

スパリケーション中性子源（SNS）は、物質の構造および動的挙動に関する前例のない研究を可能にする高強度パルス中性子源である。2 MWのプロトン加速器と水銀を用いたターゲットを用い、熱的および冷たい中性子を生成し、多様な物質における原子スケールの現象を調べる。高度な装置により、既存施設と比較して最大100倍のカウントレートおよび7倍の動的範囲を達成する。

ABSTRACT

The wavelengths and energies of thermal and cold neutrons are ideally matched to the length and energy scales in the materials that underpin technologies of the present and future: ranging from semiconductors to magnetic devices, composites to biomaterials and polymers. The Spallation Neutron Source (SNS) will use an accelerator to produce the most intense beams of neutrons in the world when it is complete at the end of 2005. The project is being built by a collaboration of six U.S. Department of Energy laboratories. It will serve a diverse community of users drawn from academia, industry, and government labs with interests in condensed matter physics, chemistry, engineering materials, biology, and beyond.

研究の動機と目的

• 既存施設と比べて顕著に高いフラックスおよび性能を備えた次世代の中性子源の開発。
• 中性子散乱が軽元素、磁気モーメント、および動的過程に特有の感度を示すことに基づき、原子およびナノスケールの物質の詳細な研究を可能にすること。
• 大学、産業界、政府機関の広範なユーザーコミュニティを支援するため、高度な中性子散乱装置のセットを提供すること。
• 革新的なターゲットシステム設計およびリモートメンテナンス機能を活用し、高い信頼性と稼働率を達成すること。
• 非弾性および弾性中性子散乱測定の動的範囲およびエネルギー分解能を拡張すること。

提案手法

• 線形加速器および蓄積リングを用いて加速された2 MW、1-GeVのプロトンビームを用い、水銀ターゲットでスパリケーション中性子を生成する。
• 液体水素（H2）、重水（D2O）、および複合型H2/D2Oを用いた冷却（19 K）および常温モダレーターを採用し、エネルギー分布を調整した熱的および冷たい中性子を生成する。
• 60 Hzのパルス中性子源を採用し、飛行時間法による測定を可能にすることで、エネルギーの正確な決定および高分解能分光法を実現する。
• バックスクェータススペクトロメトリーのための高時間分解能を達成するため、84 mの長さの中性子ガイドシステムを設計する。
• スーパーミラー被膜を施したビームガイドおよびテーパード波ガイドを採用し、反射率測定装置におけるフラックスの向上およびバックグラウンド放射能の低減を実現する。
• 偏光中性子ビームおよびスピン反転デバイスを統合し、磁気的構造および界面の高感度な研究を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス型スパリケーション中性子源は、既存施設と比較して10倍以上の高い中性子フラックスをどのように達成できるか？
• RQ2 パルス型源におけるバックスクェータススペクトロメーターを用いた非弾性中性子散乱で、得られる最大のエネルギー分解能は何か？
• RQ3 中性子反射率測定装置は、同時に10−9未満の反射率測定と広い動量転送範囲をどのように達成できるか？
• RQ4 高出力の水銀ターゲットシステムの高稼働率およびリモートメンテナンスを可能にする設計的特徴は何か？
• RQ5 SNSにおける装置性能は、反復型中性子源と比較して、動的範囲およびカウントレートの面でどの程度優れているか？

主な発見

• SNSは、当時世界最高水準のパルス型源であるISISと比較して、12倍以上の高い中性子フラックスを提供し、前例のない強度の測定を可能にする。
• バックスクェータススペクトロメーターは、2.2 μeV FWHM（弾性）のエネルギー分解能および±258 μeVの動的範囲を達成し、同等の反復型装置と比較して7倍の優位性を示す。
• 反射率測定装置は、R < 10−9の反射率測定を達成し、既存施設と比較して1桁優れた性能を示し、高いデータ収集レートを実現する。
• 複合型H2/D2Oモダレーターの使用により、100 Kエネルギー範囲での中性子発生量が増加し、液体メタンモダレーターの性能に近づく。
• ターゲットシステムは、ターゲット容器の交換が5日間、メンテナンスサイクルが6週間で可能に設計されており、高い運用稼働率を確保する。
• 装置群は、年間1,000～2,000人のユーザーを多様な科学的および産業分野から支援可能であり、2つのターゲットステーションが異なる出力レベルおよび周波数で稼働する。