Clathrate hydrates are water-based solids with large crystallographic unit cells that show promise as potential moderators for use in new, more intense sources of very cold neutrons (VCN), which would enhance neutron scattering techniques and increase sensitivity of particle physics experiments. These so-called inclusion compounds seem particularly suitable for this application due to the low-energy modes of guest molecules encaged in nano-voids formed by a crystalline network of hydrogen bonded water molecules. In this article we present first results of an ongoing, extensive experimental campaign with the aim of characterizing the scattering properties of deuterated clathrate hydrates relevant for moderator applications. Experiments include neutron diffraction (carried out at Institut Laue-Langevin (ILL) using the instrument D20), as well as measurements of the temperature-dependent dynamical structure factorS(q, ω) in absolute units (carried out on ILL’s Panther and IN5). These measurements will serve as a benchmark for development of new scattering kernels.

The n2EDM experiment at the Paul Scherrer Institute aims to conduct a high-sensitivity search for the electric dipole moment of the neutron. Magnetic stability and control are achieved through a combination of passive shielding, provided by a magnetically shielded room (MSR), and a surrounding active field compensation system by an Active Magnetic Shield (AMS). The AMS is a feedback-controlled system of eight coils spanned on an irregular grid, designed to provide magnetic stability to the enclosed volume by actively suppressing external magnetic disturbances. It can compensate static and variable magnetic fields up to ± 50 μT (homogeneous components) and ± 5 μT/m (first-order gradients), suppressing them to a few μT in the sub-Hertz frequency range. We present a full finite element simulation of magnetic fields generated by the AMS in the presence of the MSR. This simulation is of sufficient accuracy to approach our measurements. We demonstrate how the simulation can be used with an example, obtaining an optimal number and placement of feedback sensors using genetic algorithms.

Intense sources of very cold neutrons (VCNs) would be beneficial for various neutron scattering techniques and low-energy particle physics experiments. Binary clathrate hydrates hosting deuterated tetrahydrofuran (THF-d) and dioxygen show promise as potential moderators for such sources due to a rich spectrum of localized low-energy excitations of the encaged guest molecules. In this article, we present a reliable manufacturing technique for such hydrates. Neutron diffraction data confirm their clathrate structure as type II (CS-II), determine their purity, and cage occupancy. Furthermore, we present data on the thermal expansivity of THF-d– and THF-d–O₂clathrates, drawing attention to them as an interesting case study for the complex structure and dynamics of this class of material.

The PF1B instrument at the Institut Laue–Langevin (ILL) delivers a high-flux cold neutron beam through the H113 neutron guide. In the years following the characterization published with the highest polarization in 2006, radiation-damaged sections of the guide have been replaced and the in-pile part has been upgraded. In 2024, a new experiment using time of flight was performed to characterize the instrument. Simulations intended to reproduce this experiment have been performed with McStas using an already existing model of H113. In this work, we present a first comparison of experimental and simulated time-of-flight spectra, showing overall good agreement but discrepancies which might be reduced by adjusting the existing McStas model. Parameter optimization is ongoing, aiming at a more accurate description that would serve for future experiments on PF1B.

The use of neutron reflectors is an effective method for improving the quality of neutron sources and neutron delivery systems. In this work, we further develop the method based on the Bragg scattering of neutrons in crystals with large interplanar distances. We compare samples of differently prepared fluorine intercalated graphites by measuring the total cross section for the interaction of neutrons with the samples, depending on the neutron wavelength. The Brag scattering cross section is expected to be the dominant part of the total cross section in all the cases. The results show that all samples provide high reflection efficiency over the entire range of the so-called “neutron reflectivity gap” and beyond it, and that they also allow for the choosing of the optimal intercalation methods.

Les clathrate hydrates deutérés comme nouveau matériau modérateur d'une source de neutrons très froids: Les Neutrons Très Froids (VCN) couvrent une gamme spectrale allant des neutrons froids (<1 meV) aux Neutrons Ultra Froids (UCN, quelques centaines de neV). Les sources VCN à haute intensité peuvent améliorer les techniques de diffusion de neutrons, telles que SANS, ainsi que la résolution énergétique des spectromètres à temps de vol ou à spin-echo. En physique des particules, des faisceaux VCN plus intenses pourraient augmenter la sensibilité des recherches sur les oscillations neutron-antineutron et le moment dipolaire électrique statique du neutron. Cette thèse explore l'utilisation des hydrates de clathrate deutérés comme nouveaux modérateurs pour les VCN.L'efficacité des hydrates de clathrate est liée aux modes localisés de basse énergie, dits modes d'Einstein, des molécules invitées confinées, facilitant le ralentissement des neutrons. Le dioxygène (O2) offre une voie supplémentaire pour ralentir les neutrons via le dédoublement en champ nul de l'état fondamental de triplet magnétique de l'oxygène, créant une « cascade de refroidissement » avec des incréments d'énergie de 0,4 meV.Pour quantifier les propriétés neutroniques de ces composés, une campagne de diffusion de neutrons a été menée. Cette étude a examiné la structure de l'hydrate par diffraction des neutrons, sa dynamique par diffusion inélastique des neutrons, et sa section efficace totale des neutrons par des expériences de transmission. Cet effort a été complété par le développement de bibliothèques de diffusion thermique (TSL) pour les hydrates de clathrate basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab-initio et la théorie de la fonctionnelle de la densité, ainsi qu'un modèle de diffusion magnétique pour le dioxygène. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet HighNESS, visant à étendre le potentiel scientifique de la Source Européenne de Spallation (ESS) avec des modérateurs innovants.L'étude expérimentale se concentre sur des hydrates contenant le tétrahydrofurane deutéré (THF-d) et le dioxygène (O2). La méthode développée pour produire des hydrates binaires hébergeant le THF-d et l'O2 a permis d'obtenir une structure d'hydrate de haute pureté (98,44 ± 1,56%) avec un remplissage de dioxygène allant jusqu'à 80,1 ± 1,1%. L'expansion thermique de ces matériaux, déterminée à partir des données de diffraction des neutrons, reflète les interactions complexes entre invités et hôtes.Des expériences sur des spectromètres à neutrons ont mesuré le facteur de structure dynamique S(q, ω) sur un large espace de phase. La diffusion vers le bas du dioxygène confiné à 0,4 meV a été mesurée pour la première fois dans un clathrate hydrate binaire. De plus, la molécule de THF-d présente des excitations à 2,9 et 4,7 meV, contournant la « cascade de refroidissement » et conduisant à une thermalisation plus rapide des neutrons.Des expériences de transmission pour mesurer la section efficace totale ont confirmé le comportement attendu pour la diffusion de Bragg jusqu'à une coupure de Bragg d'environ 20 Å. Les données montrent également une augmentation significative de la section efficace pour des longueurs d'onde plus élevées, modélisée comme une contribution SANS dans la section efficace totale, utile pour les futures TSL des hydrates de clathrate.Une base pour une évaluation quantitative du potentiel des hydrates de clathrate en tant que modérateurs a été fournie grâce à la mise au point d'une technique de fabrication, des données expérimentales et des modèles.