J-PARC E15/E17 実験のための液体ヘリウム3標的の開発

J-PARC E15/E17実験のための
液体ヘリウム3標的の開発
理研
佐藤将春
飯尾雅実（理研）、石本茂（ＫＥＫ）
and J-PARC E15/E17 collaboration
J-PARC E15/E17 collaboration
S. Ajimura1, G. Beer2, H. Bhang3, P. Buehler4, L. Busso5, 6,
M. Cargnelli4, J. Chiba7, S. Choi3, C. Curceanu5, 8, S. Enomoto1,
D. Faso5, 6, H. Fujioka9, Y. Fujiwara10, T. Fukuda11, Y. Fukuda10,
C. Guaraldo5, 8, T. Hanaki7, R. S. Hayano12, T. Hiraiwa9, A. Hirtl4,
M.Iio13, M. Iliescu5, 8, T. Ishikawa12, S. Ishimoto14, T. Ishiwatari4,
K. Itahashi13, M. Iwai14, M. Iwasaki10, 13, P. Kienle4, 15, J. Marton4,
Y. Matsuda12, Y. Mizoi11, O. Morra5, 16, T. Nagae9, H. Noumi1, 14,
H. Ohnishi13, S. Okada5, H. Outa13, D. Pietreanu5, 8, A. Sakaguchi17,
F. Sakuma13, M. Sato13, M. Sekimoto14, D. Sirghi5, 8, F. Sirghi5, 8,
T. Suzuki12, H. Tatsuno12, D. Tomono13, A. Toyoda14,
E. Widmann4, T. Yamazaki12, 13, H. Yim3 and J. Zmeskal4
RCNP1, Victoria Univ.2, SNU3, SMI4, INFN-Torino5, Univ. of Torino6, TUS7, LNF8,
Kyoto Univ.9, Tokyo Tech10, Osaka E.C. Univ.11, Univ. of Tokyo12, RIKEN13, KEK14,
Tech. Munich Univ.15, INAF-IFSI16, Osaka Univ.17
実験概要
Experiments @ J-PARC K1.8BR
 J-PARC E15実験 K中間子原子核探査実験（2010年度以降）
K3He

3He
K-pp
n
(in-flight K-, n) (K-pp)
J-PARC E17実験 K中間子3He原子X線分光実験（2009年度）
SDD（Silicon drift detector）を用いてのK中間子3He原子3d2p X線
精密分光
3d
強い相互作用
width
shift
2p
X-ray
(Coulomb only)
（原子核吸収）
100 mm2 VITUS SDD
(KETEK GmgH)
静止K-反応
十分な統計量が必須
液体ヘリウム３標的
液体ヘリウム３標的
実験からの要請

標的周辺にはCDS（二次荷電粒子検
出）
L型クライオスタット
（標的セルのみ,先端に配置）

低物質量：二次荷電粒子検出(E15/17)
実験セットアップ（標的周辺）
更に、標的セル：6.4 keV Ｘ線検出
（E17）


長期安定性～1ヶ月ビームタイム
メンテナンス性
寒剤の消費量
エリアアクセスの頻度
クライオスタット
クライオスタット構成

4He
3He
4Heを用い、3Heを冷却（3He封じ切り）
デュワーから液体ヘリウム４を供給
(Separator, ~4K)
ヘリウム４の流量調節＋減圧冷却
(Evaporator, ~1.3K)
液体ヘリウム４との熱接触によって
ヘリウム3ガスを凝縮
(＠3He熱交換器)
E17実験では標的近傍にX線検出器
（SDD）＋下流（クライオ内）にプレアン
プを設置  熱流入が増加
よりシンプルな構成のE15条件での
R&Dを行った。
E15実験クライオスタット
液体窒素放射
シールド(80 K)
Separator (4
K)
Evaporator（1.3 K）
３He熱交換器
標的容器
CFRP真空容器
ヘリウム３冷却機構

3He: 標的セルー熱交換器ーガスタンクの封じ切り系
減圧冷却した液体4He（1.3Ｋ）を用い熱交換によって凝縮

標的セルー熱交換器間の対流によって効率的に冷却

標的セル
（容積：450ml）
ビームウィンドウ： Ti T=0.1 mm
銅まき部分
: Be T=0.3 mm
耐圧性能
> 0.3 MPa
X線透過 ~ 90 % (@ 6.4 keV)
4He-3He熱交換器
素材：銅
KF16ポート×１
テスト用SUSセル
熱交換用フィン
4He
3He
0
20 cm
ヘリウム３システム

ヘリウム３ガスタンクから導入/回収

ヘリウム３の純化

ガスバッグによる回収（緊急時）
全システム
クライオスタット
＋ 3He システム
＋ 4He デュワー
ヘリウム３ガスを用いた
冷却テスト
セットアップ
Cooling test Setup



ヘリウム３ガス200 リットルを使用
標的セルのみ配置（＝Ｅ15実験条件）
標的セル内、熱交換器（3He）、
Evaporator(4He) 三か所で温度測定。
Evap. Level Gage
Evap. RuO2
3He

４He槽内液面のレベル測定
熱流入量の評価
H.E. RuO2
Target Cell RuO2
✓到達温度、圧力の確認
4He を液化させた場合と比
較
Test cell (SUS) 500 mm
✓ 4Heの消費量
結果：到達温度
液体到達温度
4He（超流動）
3He（常流動）
1.36
1.40
Temperature [K]
4Heガスを同様
に液化した結
果と比較
1.40
Temperature [K]

3Heテスト
1.32
Evaporator
Heat Exchanger
Evaporator
Target Cell
Heat Exchanger
4Heテスト
Target
Cell
（超流動）
1.36
1.32
1.28
1.24
1.20
25
26
27
Time [hour]
1.28
1.24
1.20
Evaporator(4He)
熱交換器(3He)
標的セル
(3He)
2
標的セル内到達温度～1.3 K
Evaporator, 熱交換器との温度差無し
3
4
Time [hour]
熱交換+循環方式による冷却が機能している。
5
28
ヘリウム3液化の確認
Vapor Pressure [hPa]
250
温度―圧力：蒸気圧曲線と比較
100
50
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Temperature [K]
2.0
Evaporator (He-4)
Target Cell (He-3)
1.8
計算値とconsistent
温度変化
1.6
1.4
250
1.2
100
Evaporator (He-4)
Target Cell (He-3)
80
圧力変化
60
40
３He
20
0
1.5
2
2.5
Time [hour]
Vapor Pressure [hPa]
Temperature [K]
Calculation
150
0
Vapor Pressure [hPa]
He-3
He-4
200
He-3
He-4
200
温度 vs 圧力
150
100
３He
50
4He
3
4He
0
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Temperature [K]
1.9
2.0
2.0
熱流入の評価
ヘリウム４の液面の
減少率～熱流入
１K領域への熱流入：0.19 W
Liq. He-4 Level in Evaporator [%]
結果：ヘリウム4消費量
✓液体ヘリウム4全消費量：45ℓ/day
～一ヶ月ビームタイム
液体ヘリウム４ 1500ℓ
1000ℓデュワー交換1回
100
2007/12/19 (He-4)
2008/03/19 (He-3)
2008/03/20 (He-3)
80
60
40
-4.6 [%/h]
(0.19 W)
20
0
0
4
-4.6 [%/h]
(0.19 W)
-4.6 [%/h]
(0.19 W)
8
12
Time [hour]
16
実験を遂行可能な性能
20
まとめと今後
まとめ


J-PARC E15（Ｋ中間子原子核探査）/ E17（Ｋ中間子原子Ｘ線分
光）実験で用いる液体へリウム3標的の開発
標的セルのみ配置した最もシンプルな構成（＝E15実験標的）
での3Heの液化に成功。寒剤の消費量も実験を行う上で問題無
いレベル。
E15実験用液体ヘリウム３標的のR&Dは終了
今後の予定
E17実験へ向けてのＲ＆Ｄ
✓Ｘ線検出器(SDD)＋プレアンプをクライオ内に設置、冷却テスト
✓長期安定性（標的、ＳＤＤ）、分解能（ＳＤＤ）の確認
J-PARC K1.8BR エリアに移設（2009年春以降）

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