Investigation of a superthermal ultracold neutron source based on a solid deuterium converter for the TRIGA Mainz reactor

Abstract

Research in fundamental physics with the free neutron is one of the key tools for testing the Standard Model at low energies. Most prominent goals in this field are the search for a neutron electric dipole moment (EDM) and the measurement of the neutron lifetime. Significant improvements of the experimental performance using ultracold neutrons (UCN) require reduction of both systematic and statistical errors.rnThe development and construction of new UCN sources based on the superthermal concept is therefore an important step for the success of future fundamental physics with ultracold neutrons. rnSignificant enhancement of today available UCN densities strongly correlates with an efficient use of an UCN converter material. The UCN converter here is to be understood as a medium which reduces the velocity of cold neutrons (CN, velocity of about 600 m/s) to the velocity of UCN (velocity of about 6 m/s).rnSeveral big research centers around the world are presently planning or constructing new superthermal UCN sources, which are mainly based on the use of either solid deuterium or superfluid helium as UCN converter.rnThanks to the idea of Yu.Pokotilovsky, there exists the opportunity to build competitive UCN sources also at small research reactors of the TRIGA type. Of course these smaller facilities don't promise high UCN densities of several 1000 UCN/cm³, but they are able to provide densities around 100 UCN/cm³ for experiments.rnIn the context of this thesis, it was possible to demonstrate succesfully the feasibility of a superthermal UCN source at the tangential beamport C of the research reactor TRIGA Mainz. Based on a prototype for the future UCN source at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in munich, which was planned and built in collaboration with the Technical University of Munich, further investigations and improvements were done and are presented in this thesis. rnIn parallel, a second UCN source for the radial beamport D was designed and built. The comissioning of this new source is foreseen in spring 2010.rnAt beamport D with its higher thermal neutron flux, it should be possible to increase the available UCN densities of 4 UCN/cm³ by minimum one order of magnitude.

Das freie Neutron ist eines der Schlüsselwerkzeuge für den Test des Standard Models bei niedrigsten Energien. Die Suche nach einem Elektrischen Dipolmoment (EDM) des Neutrons und die Messung der Neutronenlebensdauer stehen hierbei an erster Stelle. Beide Experimente bedienen sich der Speicherung von ultrakalten Neutronen (UCN) und sind mittlerweile an ihren systematischen und statistischen Grenzen angelangt. rnDie Entwicklung und der Aufbau neuartiger UCN Quellen, basierend auf dem superthermischen Prinzip, ist deshalb ein bedeutender Schritt für den weiteren Erfolg der Grundlagen Forschung mit ultrakalten Neutronen.rnEine deutliche Steigerung der heute erreichbaren UCN Dichten ist vor allem von der Wahl eines geeigneten UCN Konverter-Materials abhängig.rnUnter dem Begriff des UCN Konverters verbirgt sich die Eigenschaft einer Substanz, kalte Neutronen mit einer Geschwindigkeit von rund 600 m/s auf eine Geschwindigkeit von 6 m/s abzubremsen.rnMehrere große Forschungzentren weltweit befinden sich zum jetzigen Zeitpunkt in Plannung oder im Bau neuer UCN Quellen, die hauptsächlich auf der Verwendung von festem Deuterium oder superflüssigem Helium als zukünftigem Konverter Material basieren.rnDank der Ideen von Yu. Pokotilovsky gibt es jedoch die Möglichkeit, konkurenzfähige UCN Quellen auch an kleinen leistungsschwächeren Forschungsreaktoren vom Typ TRIGA aufzubauen. Diese kleineren UCN Quellen versprechen zwar nicht UCN Dichten von über 1000 UCN/cm³, liefern jedoch mit Dichten von ca. 100 UCN/cm³ eine gute Basis für fundamentale Experimente mit ultrakalten Neutronen.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnte die Machbarkeit einer superthermischen UCN Quelle am tangentialen Strahlrohr C des Forschungreaktor TRIGA in Mainz gezeigt werden.rnEin mit der Technischen Universität München geplanter und aufgebauter Prototyp einer zukünftigen UCN Quelle an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) diente hierbei als Grundlage für die in dieser Arbeit dargstellten Ergebnisse.rnUnter Einbeziehung aller relevanten Daten wurde eine weitere UCN Quelle für das zur Zeit noch freie radiale Strahlrohr D aufgebaut, deren Inbetriebnahme zu Beginn des Jahres 2010 geplant ist. Auf Grund des höheren thermischen Neutronenflusses an Strahlrohr D, sollten aller Voraussicht nach die momentan zur Verfügung stehenden UCN Dichten von 4 UCN/cm³ an Strahlrohr C um mindestens einen Faktor 10 an Strahlrohr D übertroffen werden können.