Transcript 天体核実験用の窓無しガス標的とガス循環系の開発

九大院理
松田沙矢香、相良建至、寺西高、藤田訓裕、
谷口雅彦、岩淵利恵、大場希美、山口祐幸、
Maria Theodora Rosary
内容
○天体核反応測定用では世界最高厚さの
窓無しＨｅガス標的を開発した。
○標的厚さを、ビーム散乱を用いて測定した。
○標的が十分厚いので、ポストストリッパーは要らない。
○ガス流量が多いので、ガス循環系を開発中である。
4He+12C16O+g
反応断面積測定
実験：
12C (beam) + 4He (target)  16O (detect) + g
Ecm = 2.4 ～ 0.7 MeV (星では0.3 MeV)
E(12C) = 9.6 ～ 2.8 MeV
低エネルギー
16
E( O) = 7.2 ～ 2.1 MeV
大強度ビーム
4He
膜有
12C
beam
He
膜無
12C
beam
He
(target) は、windowless (窓なし)でなくてはいけない。
また、
ため
4He
(target) の厚さは、15 Torr x 4.5 cmが目標。
Windowless & thick He gas targetの開発は、1993年から始まった。
1993 Proto-type (10torr x 3 cm)の製作に成功。
199７ 真空排気システムを備えて（予算必要)、テスト実験開始。
2000 冷却ベンチテスト開始
2005 冷却標的製作→厚さ測定
2006 真空排気系強化
2008 常温型に戻し、形状最適化
2009~2010 標的厚さ測定 世界一の厚さ(24Torrx4.5cm)を達成
実験セットアップ
12C
beam
タンデム加速器
12C+4He
→16O+g
窓無しガス標的
イオン源
12C
窓無し4He気体標的
15Torr×4.5cm の厚さが目標
検出器
16O
吹き込み型窓無しガス標的
He
P1 is 24 Torr.
He
f4.3
f2.5
He
12C
beam
P1
Monitor
Si-SSD
44 mm
12C
beam
差動排気系
DP
3000 ℓ/s
P2,P3,P4の排気速度を強化
f2.5
f20
12C
f10
P7
f4.3
f6 f4
beam
TMP
520 ℓ/s
f10 f12
P2
P3
P5
f20
f30
RM
P8S
P6
P4
TMP
350 ℓ/s
TMP
520 ℓ/s
MBP
330 ℓ/s
TMP
1500 ℓ/s
TMP
520 ℓ/s
MBP
330 ℓ/s
MBP
TMP
12C
beam
TMP
Target
TMP
TMP
MBP
標的厚さ測定
C-foil
10Torr
Al(4μm）
He(p,α)H
NHe
He
He
p-beam
Al(p,p’)
RMS
beam
monitor
3.0cm
標的厚さの比
C-foil
He
He
p-beam
He(p,α)H
NHe
RMS
beam
monitor
0,8
結果
0,7
Nhe/beam
膜無
0,6
0,5
1.5倍
0,4
膜有
0,3
0,2
0,1
0
-5
-0,1
0
5
10
15
標的の圧力(Torr)
20
膜無し標的は、膜有り標的の
1.5倍
3.0cm×1.5倍＝4.5cm
Windowless He targetの厚さ比較
九大 のwindowless target
24Torrx4.5cm=108Torr・cm
TRIUMF のwindowless target
~6Torr×11cm=66Torr・cm
(6Torr×12cm=74Torr・cm)
CalTech のwindowless target
~5Torr×10cm=50Torr・cm
Ruhr U. のwindowless target
~3Torrx4.5cm=13.5Torr・cm
Ruhr大学
九州大学
12
12C
beam
44He gas target
ポストストリッパー
16O(平衡状態)
非平衡状態
He
Ar
16O(非平衡状態)
標的厚さ
(Torr・cm)
ポストストリッパーは
必要無し
Kyushu
100
TRIUMF
8倍
CalTech
Ruhr
平衡分布厚
0
平衡分布厚
4+
5+
3+
2+,6+
12CビームがHeガスを通過すると・・・
平衡荷電分布
4He
gas target
16O2+,16O3+,16O4+,16O5+,16O6+
12C
He
beam
色々な電荷の16Oができる
標的の上流の方で反応した１６Ｏは平衡状態になるが
下流の方で反応した１６Ｏは非平衡状態のままである
16O
荷電分布
Charge fraction (%)
TRIUMPデータ+九州大学データ（7.2MeV）
平衡分布厚
2
+
4+
3+
5
+
4+
6+
5+
3+
2+,6+
測定予定
16O
0.7
1.5
2.4
Ecm(MeV)
energy
今後、16O 荷電分布を
測定予定
Heガス循環系
現在、Ecm=1.5MeVで
１日にHeボンベ約２本
将来、Ecm=0.7MeVでは約１ヵ月間実験!!
現在、
ガス循環系の設置を
計画中
95%のHeガスを回収!!
MBP
TMP
12C
beam
TMP
Target
TMP
TMP
MBP
流量調整
95%のHeガスを回収
5%供給
Balloon
He
流量調整
MBP
RP
Target
TMP
RP
MBP
RP
Cooling
trap
50K
95%回収
まとめ
●差動排気系の強化やアパーチャーの設置などによって
24Torr×4.5cmの分厚い膜無しガス標的の開発に成功！！
世界一!!
ただし、Ecm=0.7MeVの測定では厚すぎる
15Torr×4.5cm
今後の予定
●今後のより低エネルギーでの
測定に備えて、 ガス循環系の設置。
●Ｈｅガス通過後の16Oの荷電分布
測定。
Energy loss
Ecm=0.7MeVの場合
標的の厚さが
●24Torr×4.5cmの場合
Ecm=0.7MeV→0.65MeV
●15Torr×4.5cmの場合
Ecm=0.7MeV→0.69MeV
Ecm=1.5MeVでは
15Torr×4.5cmで実験
Ecm=1.5MeV→1.45MeV
Electric deflector
(E/q)
16O３+
F1
12C+ パルスビーム
4He
Magnetic
deflector
(p/q∝Bρ)
ガスターゲット
v ∝(E/q)/(p/q)
F2
Si SSD
3m
m/q ∝ (p/q)/v
p/q∝Bρ
12C3+⇔ 16O4+
Bρが同じ
4He+12C16O+g
反応断面積測定
恒星のエネルギー(Ecm=0.3MeV)での4He(12C,16O)γ反応断面積は非常に小さい
→Ecm=2.4MeV~0.7MeVまでを測定し、
Ecm =0.7 MeVで
Ecm=0.7MeV~0.3MeVまでを外挿する
反応断面積は1 pbarn
さらに、エネルギーが低く、反応断面積が小さいため
分厚い窓無しガス標的が必要！！
Total S-factor of
12C+4He

stellar
energy
Kyushu U.
extrapolation
Ruhr U.
16O+g
12CビームがHeガスを通過すると・・・
平衡荷電分布
4He
gas target
16O2+,16O3+,16O4+,16O5+,16O6+
12C
16O
He
beam
色々な電荷の16Oができる
標的の上流の方で反応した１６Ｏは平衡状態になるが
下流の方で反応した１６Ｏは非平衡状態のままである
荷電分布
TRIUMPデータ+九州大学データ（7.2MeV）
Charge fraction (%)
十分に分厚いガス標的ならば・・・
2
+
3+
5+
4+
6+
4He
gas target
16O(平衡状態)
12C
16O
0.7
1.5
2.4
Ecm(MeV)
energy
He
beam
16O(非平衡状態)
非平衡16Oの割合は
Ecm = 2.4 MeV で 約9%
Ecm < 2.4 MeV で 9%以下