[論文レビュー] Voluminous D2 source for intense cold neutron beam production at the ESS

E. B. Klinkby, K. E. Batkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、欧州スパリケーションソース（ESS）のターゲットの下に、基礎物理学実験用に強力な冷中性子ビームを生成するための大型液体D₂モニタライザーを提案する。MCNPXシミュレーションを用いて、貫通型ビームチューブ内に配置された25 cm × 25 cm × 20.6 cmのD₂モニタライザーが、ベースラインのパラ水素モニタライザーと比較して、ビーム強度（A×B）を3〜4倍に向上させることを示している。最適な配置条件下では、主散乱モニタライザーの輝度にほとんど影響を与えない。

ABSTRACT

The development of the flat moderator concept at ESS recently opened up the possibility that a single flat moderator above the target could serve all the scattering instruments, that rely on high brightness. This would allow for the introduction of a fundamentally different moderator below the target for the complementary needs of certain fundamental physics experiments. To facilitate experiments depending on the total number of neutrons in a sizable beam, the option of a voluminous D2 moderator, in a large cross-section extraction guide is discussed and its neutronic performance is assessed.

研究の動機と目的

• ESSターゲットの下に大容量のD₂モニタライザーを設置することで、基礎物理学実験用に冷中性子ビーム強度を向上させる可能性を検討すること。
• 中性子散乱装置に使用される主モニタライザーであるパラ水素モニタライザーの性能に、このようなモニタライザーが与える影響を評価すること。
• 反射材および事前モニタライザーの構成を変化させた場合の、貫通型ビームチューブ内に配置されたD₂モニタライザーの中性子輸送および輝度性能を評価すること。
• 既存の散乱ビームラインへの干渉を最小限に抑えつつ、ビーム実験のための中性子出力の最大化を図るためのD₂モニタライザーの幾何形状および材料を最適化すること。
• 実験のビーム強度依存性に起因する、D₂モニタライザーがベースラインのTDRパラ水素モニタライザーを著しく上回る総中性子フラックスを達成できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 25 cm × 25 cm × 20.6 cmの直方体液体D₂モニタライザー（19 K、1/3パラデューテリウム、2/3オルトデューテリウム）を、ESSターゲットの下にある貫通型ビームチューブにモデル化する。
• モニタライザーは3 mmのアルミニウムでカプセル化され、中性子抽出面を除く全周に可変厚さの水事前モニタライザー（1〜4 cm）で囲まれている。
• 中性子輸送をモデル化するためにMCNPXを用い、ベースライン設計における鋼鉄を置き換えることで中性子の再利用と輝度を向上させる130 cm直径の lead 反射材を採用する。
• 3つのシナリオをシミュレーション：リファレンス（D₂モニタライザーなし）、ケース1a（D₂モニタライザーをビームチューブ上部に配置）、ケース1b（D₂モニタライザーを10 cm下に降下）。
• 5 m離れた位置でのF5トゥルースを用いて輝度を評価し、0〜5 meVのエネルギー範囲でフラックスを統合して、A×B（ビーム面積 × 輝度）を算出し、比較に用いる。
• 12 cm × 12 cmの抽出アパーチャーを用いて、D₂モニタライザーの性能をESS技術設計報告書（TDR）のパラ水素モニタライザーと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ESSターゲットの下に配置された大容量D₂モニタライザーが、基礎物理学実験用に冷中性子ビーム強度を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 パラ水素モニタライザーの輝度に、D₂モニタライザーが与える影響は何か？
• RQ3 D₂モニタライザーの位置（ケース1a 対 ケース1b）が、上部のパラ水素モニタライザーの輝度に与える影響は？
• RQ4 鉄鋼に代えて鉛反射材を用いることで、D₂モニタライザーおよび上部モニタライザーの性能がどの程度向上するか？
• RQ5 D₂モニタライザーのA×B（ビーム面積 × 輝度）が、ベースラインのTDRパラ水素モニタライザーを上回るか？

主な発見

• ケース1a（ビームチューブ上部に配置されたD₂モニタライザー）では、リファレンスケースと比較して、上部のパラ水素モニタライザーの輝度が約15%低下する。
• D₂モニタライザーを10 cm下に降下させたケース1bでは、上部パラ水素モニタライザーへの輝度損失は無視できるほど小さく、実質的に消失する。
• ケース1aにおけるD₂モニタライザーのA×Bは4.27 × 10¹⁵ n/sr/sであり、TDRパラ水素モニタライザーの1.17 × 10¹⁵ n/sr/sと比較して3.6倍高い。
• ケース1bではA×Bが2.85 × 10¹⁵ n/sr/sに達し、依然としてTDRベースライン比2.4倍の改善を示す。
• A×Bの性能向上は、より大きなモニタライザー面積と鉛反射材の導入による、中性子再利用と輝度向上に起因する。
• 本研究は、適切に配置された大容量D₂モニタライザーが、散乱装置の性能にほとんど影響を与えることなく、ベースラインのTDRパラ水素モニタライザーと比較して3〜4倍の冷中性子ビーム強度を達成できることを確認した。