九大タンデムにおけるビーム・バンチャー改良

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1 九大タンデムにおけるビーム・バンチャー改良
藤田 訓裕　九州大学理学研究院 相良 建至,後藤 昂, 中野 桂樹, 岩淵 利恵, 谷口 雅弘, 大場 希美, 前田 豊和

2 実験概要 反応: 12C + 4He → 16O + g Ecm = 2.4~0.7 MeV E(12C)=9.6~2.8 MeV
前段バンチャー(not in use) 反応: 12C + 4He → 16O + g Ecm = 2.4~0.7 MeV E(12C)=9.6~2.8 MeV E(16O)=7.2~2.1 MeV 非常に断面積の小さい反応の為、 大電流ビーム、厚い標的、低バックグラウンド化が重要 ビームのパルス化、および 高いパルス化効率

3 バンチャー I 12C－ t I 129mm t 150keVの12Cをパルス化 周波数:6MHz 電圧: 2.8kVpp
入射時 I 連続ビーム 12C－ t 飛行距離 L(7m) 地点 129mm (12C,150keVの半波長) I 疎密ビーム t 150keVの12Cをパルス化 周波数:6MHz 電圧: 2.8kVpp 入射時間により入射12Cが加速、減速され粗密構造が作られる 入口で加速(減速)された物は出口でも加速(減速)される 等倍・2倍周期の2台を使用(f+2f型) 理想的には50%のビームが1カ所に集まる

4 チョッパー スリット I 12C1+ t V バンチャー6MHz,150kV,12Cの場合 周波数:3.5MHz 電圧: 3.0kVpp
チョッパー後 I 12C1+ t V バンチャー6MHz,150kV,12Cの場合 周波数:3.5MHz 電圧: 3.0kVpp バンチャー後に残っているDC成分をはね除ける 電圧が0Vの時のみ粒子を通す バンチャーの½周期

5 改良事項 測定する16Oのエネルギーが低くなると、BGのタイミングも変わる
共振周波数変更:　6(現状) →3.5 → 3.3 → 3.0 → 2.0 MHz 共振周波数: コイルのLを増加 電極管の長さ: 距離を増やす → 12Cが1/2周期間に進む距離 現状調査 管長: 320, 160mm ← AMS用の設計(200keVの14C, 又は36Cl) 150keVの12Cだと1.25周期分の長さ(気付かずに使っていた) それでもパルス化されていた ½波長からずれると効率は悪くなるが、 電圧を高くすればバンチは可能 (現状は1.3倍の電圧が必要) →周波数を変える際、逐一電極管を作り替える必要はない

6 変更作業 管の長さが半波長でなくとも良い C2 共振器の変更 L C1 共振器 3.3MHzの設定にする
スピーカコンデンサ 管の長さが半波長でなくとも良い 3.3MHzの設定にする 必要な長さは 240, 120 mm 3.5MHzとのズレは5% 実効電圧は2x99.5%以上 共振器の変更 より、Lを現状の3.3倍に RF in C2 L C1 電極へ 電極管 L 240mm f40 C2 C1

7 時間幅測定 改良後のパルス化効率と時間幅の測定を行った 12C1+を用いる エネルギー: 6MeV ターミナル電圧: 3MV
ガスストリッパー: N2, 約4x10-3 torr, 吹込み型 有効長: 500mm 口径: f12 ピポット軸受型ターボ分子ポンプx2 タンデム入射3mAに対して、90°分析電磁石後700nA →ターミナル電圧を高く使えば透過率は充分高くできる(九大タンデムは6-10MVの設計)

8 測定結果 測定方法 12C(12C,12C)反応を用いる 発振器の基準信号とSSDで検出される時間差を測定 バンチャーのみ
12C foil 測定方法 12C(12C,12C)反応を用いる 発振器の基準信号とSSDで検出される時間差を測定 12C beam Si-SSD バンチャーのみ バンチャー+チョッパー ピーク幅: 27.18ns (FWHM) 効率:　 47.8 % (全体のイベント数/ピークの面積) ピーク幅: 18.80ns (FWHM) 効率:　 33.7 % (チョッパー on/off時の電流比)

9 前段バンチャー改良案 現状 →バンチャーと同じf+2f型へ変更 鋸歯状波によるパルス化: 理想的には100%のパルス化効率
鋸歯状波によるパルス化:　理想的には100%のパルス化効率 カソード電極のGND側に ± 0.3 kV (Vpp=600V) 電力の反射によるアンプの故障が多発 低周波数にする為にはより高電圧Vpp>1200Vが必要 →リスクが高い cathode 5kV 12C extraction 15kV 鋸歯状波入力 →バンチャーと同じf+2f型へ変更

10 設計 ~300mm パラメータ 理想的には効率は70%程度 最終目標は5pmAのパルスビーム f+2f, 2つの電極で12Cが受ける電圧の和
cathode 5kV ~300mm 12C focus f 2f extraction 15kV バンチ出来る範囲 パラメータ 電圧: ±1kV (sin波なら問題ない電圧) 電極管長さ: 68(f), 34(2f)mm 理想的には効率は70%程度 最終目標は5pmAのパルスビーム タンデム入射にパルス化無しで30pmAは必要

11 まとめ 天体核実験では12C + 4He → 16O + g測定の為にビームをパルス化している
16Oをより低いエネルギーで測定するにはパルス化周波数を6MHzから2MHzまで下げる必要がある 周波数変更の為にコイルのインダクタンス、電極管の長さを変更した C-foilとの散乱を用いてパルス幅とパルス化効率を測定し、十分な性能を持っている事を確認した 今後は前段バンチャーの製作に取りかかる

12 加速減速収束法 加速管の一部をショートし、電圧勾配を上昇 ビームの収束効率は電圧勾配に依存 ただし ショート棒とタンクの間での放電
　ショート棒とタンクの間での放電 　チェーン電流の増加 による制限がある 最大電圧が1.5MV以下に制限される Ecm=1.15MeV以下の測定にはこの方法を用いて大強度ビームを加速できるようになる 過去に行われたテストでは、ターミナル1MVにおいて 通常運転時の10倍のビーム輸送効率を達成している