天体核実験用の窓無しガス標的と ガス循環系の開発

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1 天体核実験用の窓無しガス標的と ガス循環系の開発
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。

2 4He+12C16O+g 反応断面積測定 4He (target) は、windowless (窓なし)でなくてはいけない。 真空中
膜有 真空中 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 E(16O) = 7.2 ～ 2.1 MeV　 4He (target) は、windowless (窓なし)でなくてはいけない。 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 He 12C beam 膜無 低エネルギー 大強度ビーム He 12C beam また、反応断面積が小さいため

3 実験セットアップ 15Torr×4.5cm の厚さが目標 12C+4He →16O+g 窓無しガス標的 12C 窓無し4He気体標的 16O
12C beam 窓無しガス標的 12C+4He →16O+g 16O 12C タンデム加速器 イオン源 窓無し4He気体標的 15Torr×4.5cm の厚さが目標 検出器

4 吹き込み型窓無しガス標的 He He P1 is 24 Torr. f4.3 f2.5 12C beam P1 44 mm Monitor
Si-SSD 44 mm P1 P1 is 24 Torr. f2.5 f4.3 He 12C beam

5 差動排気系 P2,P3,P4の排気速度を強化 12C beam MBP 12C beam Target f2.5 f4.3 RMS MBP
DP 3000 ℓ/s TMP 520 ℓ/s f2.5 f4.3 f20 f10 f6 f4 f10 f12 f20 f30 12C beam RMS P2 P7 P5 P6 P8 P3 P4 TMP 350 ℓ/s TMP 520 ℓ/s TMP 520 ℓ/s MBP 330 ℓ/s TMP 1500 ℓ/s MBP 330 ℓ/s MBP TMP Target 12C beam

6 標的厚さ測定 結果 膜無し標的は、膜有り標的の1.5倍 3.0cm×1.5倍＝4.5cm 1.5倍 Al(p,p’) He(p,α)H
p-beam C-foil He beam monitor RMS 標的厚さの比 Al(4μm） 3.0cm 10Torr Al(p,p’) He(p,α)H p-beam NHe beam monitor He(p,α)H NHe 結果 1.5倍 Nhe/beam 膜無 膜無し標的は、膜有り標的の1.5倍 3.0cm×1.5倍＝4.5cm 膜有 標的の圧力(Torr)

7 Windowless He targetの厚さ比較
ポストストリッパーは 必要無し 九大　のwindowless target 24Torrx4.5cm=108Torr・cm Kyushu CalTech Ruhr TRIUMF 平衡分布厚 標的厚さ (Torr・cm) 100 TRIUMF　のwindowless target ~6Torr×11cm=66Torr・cm (6Torr×12cm=74Torr・cm) 8倍 CalTech　のwindowless target ~5Torr×10cm=50Torr・cm Ruhr U.　のwindowless target ~3Torrx4.5cm=13.5Torr・cm 平衡分布厚 4+ 5+ 2+,6+ 3+ 12C beam 4He gas target He Ar 　　ポストストリッパー 非平衡状態 Ruhr大学 12C beam 4He gas target He 16O(平衡状態) 16O(非平衡状態) 九州大学

8 平衡荷電分布 16O 荷電分布 今後、16O 荷電分布を 測定予定 12C beam 12CビームがHeガスを通過すると・・・
4He gas target He 16O2+,16O3+,16O4+,16O5+,16O6+ 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 3+ 2+ 5+ 4+ 6+ 0.7 1.5 2.4 Ecm(MeV) TRIUMPデータ+九州大学データ（7.2MeV） Charge fraction (%) 16O energy 平衡分布厚 4+ 5+ 2+,6+ 3+ 測定予定 今後、16O 荷電分布を 　　　　　　　　　測定予定

9 Heガス循環系 95%のHeガスを回収!! 現在、 ガス循環系の設置を 計画中 現在、Ecm=1.5MeVで １日にHeボンベ約２本
　　　　　　　　　　計画中 95%のHeガスを回収!!

10 Target Beam Line top図 MBP Beam Line 断面図 MBP TMP 12C beam 95%のHeガスを回収
流量調整 95%回収 MBP RP TMP Target Balloon Cooling trap He 5%供給 Beam Line 断面図 流量調整 50K

11 まとめ 今後の予定 ●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！！
　　　　　ただし、Ecm=0.7MeVの測定では厚すぎる 　　　 　　　　　　　　　15Torr×4.5cm ●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。 世界一!! 　今後の予定

12 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

13 粒子分析器(RMS) p/q∝Bρ 12C3+⇔ 16O4+ Bρが同じ Magnetic deflector (p/q∝Bρ)
4He ガスターゲット Si SSD 16O３+ 3m Electric deflector (E/q) Magnetic deflector (p/q∝Bρ) v ∝(E/q)/(p/q) m/q ∝ (p/q)/v F1 F2 　　p/q∝Bρ 12C3+⇔ 16O4+ 　　 Bρが同じ

14 4He+12C16O+g 反応断面積測定 分厚い窓無しガス標的が必要！！
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=0.7MeV~0.3MeVまでを外挿する さらに、エネルギーが低く、反応断面積が小さいため Ecm =0.7 MeVで 反応断面積は1 pbarn 分厚い窓無しガス標的が必要！！ Ruhr U. Kyushu U. extrapolation stellar energy Total S-factor of 12C+4He  16O+g

15 平衡荷電分布 16O 荷電分布 12C beam 12C beam 12CビームがHeガスを通過すると・・・ 4He gas target
16O2+,16O3+,16O4+,16O5+,16O6+ 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 3+ 2+ 5+ 4+ 6+ 0.7 1.5 2.4 Ecm(MeV) TRIUMPデータ+九州大学データ（7.2MeV） Charge fraction (%) 16O energy 十分に分厚いガス標的ならば・・・ 非平衡16Oの割合は Ecm = 2.4 MeV　で　約9% Ecm < 2.4 MeV で　9%以下 12C beam 4He gas target He 16O(平衡状態) 16O(非平衡状態)