Meeting on Search for permanent EDM of Francium atom①

Meeting on Search for permanent EDM of Francium atom①
EDM collaboration meeting at Kyoto Univ.
2-August-2005, 13:30 ~ 18:30
Y.Sakemi,T.Murakami, Y.Takahashi
1
概要
最も重いアルカリ元素フランシウムの永久電気双極子モーメント（EDM）を探索する。
2
フランシウム生成方法
融合反応：18O+197Au→210Fr、19F+198Pt→212Fr を用いる。19F を用いると、より寿命
が長い 212Fr が大量生成が可能となり、測定精度が高くなると期待され、かつ、世界で
も初めての試みとなるので、最終的には 19F での EDM 探索をめざしたい。ただし、19F
の加速方法の検討が必要。
3
実験装置開発・建設現状
核物理研究センター（RCNP）AVF サイクロトロンからの重イオンビーム（18O,19F）
と金、白金等との融合反応を用いてフランシウムを生成する。生成されたフランシウム
は表面イオン化器を用いていったん 1 荷にイオン化され、反応点から離れた実験室
（RCNP 西実験室）までイオンビームとして伝送する。フランシウムは磁気光学トラッ
プ装置で捕獲され、後段に配置されたレーザートラップ装置によりさらに冷却し、EDM
の精密測定を行う。実験装置の概観図を図１に示す。
実験装置としては、①ビームライン、②表面イオン化器、③フランシウムイオン
伝送ライン、④トラップ装置、⑤検出器の４つの要素から構成される。以下、各構成要
素に関して現状と方針を記述する。
3.1
ビームライン
① 現状
2004 年度 AVF 更新計画に伴って、AVF サイクロトロンからのビームを、リ
ングサイクロトロンを経由せずに、直接各実験室に伝送するビームライン
（「分析ビームライン」と呼ぶ。）の建設を行った。分析ビームラインは、各
実験室へのビーム伝送機能のほかに、加速器からのビームの診断・分析を行
う機能をもつ。2005 年春に完成し、基本的なビームトランスポートテストを
終えている。詳細は、資料１を参照。
② 方針
(1) 所定のイオンビーム強度（放射線管理上の最大値：6 pμA）が、表
面イオン化器設置予定場所で、得られることを確認する。
議論結果：
偏向磁石内の真空槽等に、BT 系の不具合によるビーム照射がなさ
れたときの対策（バッフル、スリット、冷却系等）を行うことを意
識・検討する必要あり。また、charge state が変わったときのビー
ムの偏向による対策。
(2) ビームの伝送効率を測定し、損失が少ないトランスポートを確立す
る。イオン光学計算からのフィードバックが必要。
18
(3) O ビームとともに、19F ビームの加速を検討する。国内では、理研
での加速テストが唯一あるのみ。
(4) 伝送テストには、建設中の超伝導ＥＣＲ重イオン源ではなく、既存
のＥＣＲイオン源で行うことも検討。
③ その他
超伝導ＥＣＲ重イオン源は、夏季保守期間中に建設完了、秋からテスト開始
予定。
3.2
表面イオン化器
① 現状
SUNY の表面イオン化器を参考に、デザイン検討を開始。SUSY での開発の
論文から、ビームによるターゲット温度上昇と、ヒーターによるターゲット
温度上昇を考慮し、ターゲットの融点直前で温度を一定に制御することが必
要であり、また難しい点であることがわかる。そこで、現在、熱拡散方程式
を数値計算するコードを準備（TOSCA）し、評価中。しかし、まだまともな
解は得られていない。
② 方針
(1) 収束電極
TOSCA で、最適な電極形状を評価。ただし、空間電荷効果は無視
する。
(2) ヒーター
TOSCA で、どの程度のヒーターのパワーが必要か、また、温度制
御を行うための最適なヒーターの構造を検討。
(3) ターゲット材料
2 種類のターゲット：金および白金を使用可能な構造にする。
また、
ビームスポットを確認するためのビューアー、そして、通常の分析
ビームラインとしての使用に支障をきたさないよう、ブランクの部
分も作る。
(4) 駆動
合計、4 種類（金、白金、ビューアー、ブランク）のターゲット駆
動が必要。
(5) 設置場所
分析ビームラインの下流で、ダブルフォーカス可能な点を、表面イ
オン化器設置場所の候補とする。非常に局所的にビームが 1 点に集
中すると、融点直前での温度制御が困難であることも考えられるの
で、上流の 4 重極磁石の調整により、ビームスポットのサイズはあ
る程度、大きくすることが可能である。この設置場所を中心に、融
合反応による低エネルギー中性子が大量に発生するので、近辺に設
置しているある程度の集積度をもった制御機器に対する放射線対
策を、将来的には検討する必要がある。
③ コンタクトしている業者
表面イオン化器を製作可能な業者を、いくつか、打診中。
¾ 株式会社 サンリック
東京
http://www.sunric.com
¾ 株式会社 エピクエスト（高橋先生の紹介）：担当 山本氏
京都、亀岡
http://www.epiquest.co.jp
3.3
フランシウムイオン伝送ライン
① 現状
イオン源のイオン光学系をベースに設計を進めている。静電 BT 系を構築。
収束系はほぼ同様の仕様でよいが、偏向部分は、新たに設計する必要あり。
② 方針
静電収束系の電極設計は、現在のイオン源トランスポート系の設計を確認の
うえ、電極サイズ、ダクト径など最適化する必要があるか、検討を行う。イ
オン光学系の計算は、以下の点を境界条件として考慮の上、最終案をまとめ
る。
(1) 加速器保守が容易なように、本体室の中央付近に配置するビームダ
クトは可能な限り、取り外し・アラインメントが容易な構造にする。
(2) 「開発・建設予定」で記載するように、フランシウム伝送用ビーム
ラインの建設は、放射線管理上の変更申請の前後で、2 段階にわけ
て行う。最終的には、リングサイクロトロン加速器本体室に設置し
た新しいビームライン＋表面イオン化器から、融合反応により多量
に生成される中性子のバックグラウンドを避けるため、厚いコンク
リートシールドで隔てられた隣の実験室：西実験室までフランシウ
ムイオンを伝送する。しかし、変更申請前は、本体室までで伝送ラ
インを限り、フランシウムの収量が所定どおり得られるか、確認す
る。そこで、2 段階にビームラインが自然に拡張できるような構造
にする。
(3) ビームトランスポートが容易なように、各所にビーム診断系を設置
できる構造にする。
議論結果：
イオン源トランスポートの静電電極のデザインを基礎にする。改造が必要か、
検討。
真空度を、表面イオン化器からトラップ装置に至るまで、段階的にあげてい
く必要がある。表面イオン化器周辺では 10-6 Torr、磁気光学トラップ装置で
は 10-8~10-9、光トラップ装置では 10-10~10-11 をめざす。
フランシウムイオン伝送ラインは、イオン源 BT 系をベースとすると、ビー
ムラインダクトの直径は 10cm 程度。真空度を高くするために、各収束要素
ごとに、エレメントをまとめて配置し、その間のドリフトスペースは、コン
ダクタンスを悪くして真空度をあげるために、細いダクトを用いる。イオン
光学の計算をする際に、ビームが細いダクトを損失なく通過できるよう、収
束点を中心にドリフトスペースを配置する。また、各収束エレメントごとに、
ポンプステーションを設置できるよう、ポートを備えた構造にする。
高真空領域は、パーマネントに移動等行わなくていいように、配置する。
③ 放射線管理上の課題
放射線管理室と相談。Ｓ実験室を代案として提案されたが、現在、Ｓ実験室
は放射化学用の照射装置が新たに配置されており、使用は不可能。したがっ
て、当初の予定通り、本体室でのフランシウム生成を検討する必要あり。放
射線管理上の評価も開始する必要あり。
④ 制御等の組み込み
フランシウム伝送ビームラインも、加速器制御と同じ制御（Intouch）がベ
スト。どの程度の作業量か、稲田さん＠SAS に確認。
3.4
トラップ装置
① 現状
Study 中。磁気光学トラップとレーザートラップの 2 種類が必要。各々に必
要な仕様を検討中。高橋先生＠京大の指導をうける。
② 方針
設計開始。9 月末をめどに、見通しをたて、必要物品リストを作成。10 月に
は発注。年末までに、納品完了させる。
(1) 磁気光学トラップ
捕獲効率を高めるために、以下の装置のパラメータに関して評価を
行い、捕獲効率が最大になるようなデザインにする。
„ トラップレーザーサイズ
„ トラップレーザー強度
„ セルサイズ
„ セル形状
„ 原子導入口・出射口のサイズ
„ セル内壁コーティング
„ その他
レーザービームに関しては、安価な半導体レーザーで代用可能か、
検討の必要あり。光学系の設計。
(2) レーザートラップ
必要なレーザーの波長、出力。その他、検討事項を確認する。
(3) その他
議論結果：
① Neutralizer
ヒーターではなく、仕事関数分のエネルギーの紫外線を照射すると、表
面に吸着したアルカリ原始が蒸発してくる。LED を照射することで、フ
ランシウム原子が蒸発してくる可能性があるが、問題は、本当に表面に
吸着している原子のみ、解離できる。原子層より、1 層でも深いところに
入ると、紫外線では無理。→評価を検討。
電通大の中川さんが、エキスパート。
評価検討結果：
212Fr+のイオンを 10keV に加速して、neutralizer(Y)で捕獲するとき、
212Fr は 0.0025um=25 オングストローム程度、深部に進入してとまる。
②
③
④
⑤
⑥
⑦
原子の大きさが、1 オングストローム程度であることを考慮すると、原子
の表面層（第一層目）から、かなり深く進行したところにとどまる。し
たがって、表面層に吸着した原子を遊離するのに活用される紫外線では、
効率よくフランシウムを蒸発させることは困難と考えられる。したがっ
て、ヒーターで温めることにより、遊離させる方式を採用する。
セル構成
実機は、トラップチェンバー（磁気光学トラップ）＋サイエンスチェン
バー（光トラップ）の 2 つのチェンバーを連結する。磁気光学トラップ
チェンバー内では、Neutralizer を高温にしてフランシウム原子を蒸発さ
せるため、真空度が悪くなりトラップ寿命が短くなるので、EDM の高精
度測定が困難になる。そこで、大量にフランシウム原子を捕獲・冷却す
るトラップチェンバーと、高真空に保って、光トラップによる冷却を行
うサイエンスチェンバーに分割して、機能を独立させる。トラップチェ
ンバーからサイエンスチェンバーへの移動は、
光を用いる。
MIT では BEC
を 40cm 程度、ほとんど個数の損失なく、移動させている。
今回、開発にあたって、1 つのチェンバーでテストを行う。つまり、トラ
ップチェンバーを製作する。操作方法を、コイルによる磁場を用いた磁
気光学トラップで、原子を捕捉したあと、磁場をきって、レーザーのみ
による光トラップを行う。開発にあたって、磁気光学トラップと光トラ
ップ用の 2 種類のレーザーが照射できるように設計する。また、将来的
に、後段にサイエンスチェンバーを接続できるよう、接続ポートを準備
しておく。
チェンバー材質
ガラス・ステンレス、どちらがよいか、検討する。
EDM 測定を考慮すると、非磁性体（ガラス等）がよい。また、紫外線で
のフランシウム原子蒸発を試みる場合も、透明な物質（ガラス等）がよ
い。工作の容易さ、等、考慮のうえ、判断。
セル形状に関して
立方体。
コイルに関して
磁場勾配：10G/cm 程度∼14MHz/cm∼加速度（減速）？
30 ターン あるいは、3 ターン＠100A ホロコン使用（冷却水必要）
製作、取扱の容易さを考慮して、細い線で多重ターンを採用。
レーザーに要求される性能に関して
時間領域∼測定時間に依存する。
測定時間は、トラップ寿命に対応する。
トラップ寿命、トラップ体積は、レーザー強度、波長に依存する。
(1) トラップポテンシャル：U~I/⊿
(2) photon scattering rate：Rs~I/⊿2
検討結果：
磁気光学トラップ用レーザーに関して
2 種類の波長が必要。
(1) トラップレーザー＠718 nm
⑧
¾
¾
¾
⑨
⑩
⑪
ECDL: External Cavity Diode Laser :
半導体レーザー＋grating＋テーパーアンプの構成
（20 万＋20 万＋20 万）∼合計 100 万程度で可能か？
種の光∼半導体レーザーからの 1 mW 程度の光。Grating で波
長を調整・狭くする。その光をテーパーアンプに入射して増幅。
500mW 程度の出力が得られる。該当波長があるか、確認する必
要あり。コンタクト：Ｍ２Ｋ＠ドイツ
(2) リポンプレーザー＠817 nm
半導体レーザー：イーグリアード＠ドイツ、花村オプティクス
光トラップ用レーザーに関して
以下の 3 つのレーザーが候補。
ファイバーレーザー＠1 um, a few W
Yag レーザー＠1.06 um, a few W ∼取扱：技術要
CO2 レーザー＠10 um ∼比較的安価、ただし不可視なので調整難
レーザー波長のフィードバック
2 段階で行う。波長計（wave meter）でモニター。そして、さらに高精
度なモニターとして、高精度に安定化したヘリウムネオンレーザーを
reference に、波長をモニターするシステムを構築。あるいは、ULE
cavity (Ultra Low E?)＠100 万程度 を用いてレーザー波長のフィード
バックを行う。
光学機器に関して
AOM∼レーザーのオン・オフ∼20 万∼30 万
その他
③ 開発部屋の整備
安全衛生管理上、高出力レーザーを使用する上で、最低限、整備しないとい
けない項目を準備。部屋の候補も早急に検討する。
3.5
4
5
検出器
① 現状
全く手をつけていない。
② 方針
設計開始。9 月末をめどに、見通しをたてる。
担当（案）
4.1 ビームライン
4.2 表面イオン化器
4.3 フランシウムイオン伝送ライン
4.4 トラップ装置
4.5 検出器
酒見（RCNP）
村上（京大）
酒見（RCNP）
高橋（京大：Supervisor）、酒見(RCNP）
村上（京大）
予算・マンパワー
5.1 科研費と共同利用実験費採択分の内訳は下記のとおり。なお、予算項目の詳細は
別途資料２を参照。現状、使える予算は、合計：720 万円程度。実験の Feasibility
を確認したあと、あるいは、見通しをつけたあと、大型外部予算と RCNP への
プロジェクト申請を行う必要がある。
予算項目
科研費（萌芽）
実験費（E264）
5.2
H17
240 万
400 万
H18
80 万
使用目的
トラップ装置
Fr 生成
備考
マンパワー
京大、RCNP∼酒見
6
開発・建設予定（案）
放射線管理上の施設変更申請を伴う大掛かりな工事は、RCNP に対してプロジェクト
申請を行って、RCNP のインフラ整備として行うことを検討する。ただし、プロジェ
クト申請にあたっては、実験の Feasibility を示すことが必要。そこで、以下の２つの
段階で進める。具体的なスケジュール案は、資料３参照。
6.1 プロジェクト申請前∼Feasibility check
Feasibility 確認の必要条件として、
① フランシウム生成収量の確認
② トラップ装置の技術検討確認
③ EDM 測定の見通し
を確認し、所定の性能に達しているか、示す必要がある。
そこで、コストが非常に高い磁気光学トラップ装置のレーザーの仕様を落として
安価な半導体レーザーにして原理実証を行う。
また、放射線管理上の手続きは、RCNP の正式なプロジェクトとして認められた
あとに行うのが自然であるので、フランシウム生成ビームラインは、表面イオン
化器を設置するリング本体室内に設置して、最終的な目標より、短い伝送ライン
でのテストを行う。
6.2 プロジェクト申請後∼正式なビームライン設置
大型外部資金の獲得努力を行い、磁気光学トラップ装置のレーザー増強を行う。
また、RCNP の正式なプロジェクトとして、放射線管理上の施設変更申請を行い、
生成されたフランシウムビームを、非常にクリーンな測定環境となる西実験室ま
で伝送するよう、ビームラインを拡張する。
7
議論事項
7.1 表面イオン化器の開発について∼村上さん
7.2 トラップ装置の設計に関して∼高橋さん
8
次の目標
２つのグループに分かれて、開発を進める。目標は今年度いっぱい（2006 年 3 月）
8.1 京大
表面イオン化器及びフランシウム検出用測定器の設計・開発。イオン伝送ライン
のビームダクト、電極、電源等も集積して、ルビヂウムを用いたオフラインのビ
8.2
9
ーム伝送系の構築・テストを行う。
RCNP
トラップ装置の設計・開発。磁気光学トラップとレーザートラップの 2 種類のト
ラップ装置が必要となる。最初は京大で製作開始し、見通しがたった時点で、
RCNP に移設することも検討。レーザーを使用する部屋の整備を行う必要あり。
そのほか、特記事項
フランシウム生成、トラップ装置の技術確認ができた段階で、研究会を開催し、プロ
ジェクト申請や大型外部資金獲得のための方向性を議論・検討したい。1 年後、2006
年秋を目標。2006 年度第 2 回目の B-PAC（2007 年 2 月）までには、プロジェクト申
請を行うことを目標。
議論結果：
① Physics ：フランシウムの BEC
② 19F+198Pt → 212Fr の断面積測定