Repetition rate multiplication capability for a high energy resolution mode of DIANA at J-PARC

J-PARC逆転配置型中性子非弾性散乱分光器DIANAの高エネルギー分解能測定オプションのための入射中性子パルス数増幅効果の検討

高橋 伸明; 柴田 薫  ; 佐藤 卓*; 新井 正敏

Takahashi, Nobuaki; Shibata, Kaoru; Sato, Taku*; Arai, Masatoshi

J-PARC, MLFに建設予定の逆転配置型非弾性中性子散乱分光器は、散乱ベクトル・エネルギー範囲がそれぞれ0.1-3.9, 2eV-35meVを達成するように設計されている。通常の測定においては、25Hzで回転する幅広いウインドウを持つ三枚のパルス整形チョッパーを通り得た白色中性子を入射ビームとして用い、サンプルにより散乱された中性子をPG, Ge二種類の結晶アナライザーで特定エネルギーの中性子のみを反射し、検出器によりカウントされる中性子の飛行時間からエネルギー変化を見積もる原理となっている。一方、本分光器は超高エネルギー分解能を必要とする測定にも耐え得る設計となっており、それはサンプルに照射される入射中性子エネルギー幅、及び検出器に入る散乱中性子エネルギー幅ともに非常に狭くすることにより達成される。超高速(300Hz)で交互回転するウインドウ幅の狭いチョッパーを三枚のチョッパーよりも上流に設置し、なおかつ内部異方性の小さいSi単結晶をアナライザーに用いることにより、エネルギー分解能2.5eVが達成されるが、入射中性子エネルギーを狭く選別することはモデレータから出る中性子のほとんどを捨てることと等価であり、測定効率としては決して高くはない。そこでわれわれは、入射中性子パルス数を増加させることによりエネルギー分解能を損なうことなく測定効率を上げる方法を検討したので報告する。

The DIANA spectrometer is an indirect-geometry crystal-analyzer instrument which will be installed at the Materials and Life science experimental Facility (MLF) of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). The available momentum transfer and energy ranges are from about 0.1 A to 3.9 A and from about 2 eV to 35 meV, respectively. Three analyzer-crystals, PG(002), Ge(311) and Si(111) are planed to put into place. The energy resolutions of each the former two analyzer-crystal setting are sufficiently high, which are about 15 eV and 40 eV, respectively. We are especially aiming very high energy resolution of about 2.5 eV by using the Si(111) analyzer-crystal together with another pulse-shaping mechanism, an optional setting for the DIANA spectrometer. This option can only be attained by using highly sophisticated silicone crystal, i.e. obtaining low mosaicness, and very sharp pulse-shaped incident neutron beam, which is obtained from counter-rotating 2-disk choppers with each rotation frequency of 300 Hz. Although one can attain such a high energy resolution, it is considerably inefficient to chop one very narrow incident neutron energy band from one frame (one pulse from a moderator). If several incident beam having different energy band from each other are available by chopping within one frame several times, the obtainable energy range substantially enlarge. We discuss the advantage and disadvantage of this multiplication, which is named Repetition Rate Multiplication (RRM), of the optional setting for DIANA spectrometer.