藤田 訓裕相良建至 , 寺西高 , 谷口雅彦 , 松田沙矢香 , 山口祐幸 , Maria

Theodora Rosary, 三皷達輝 , 岩崎諒 , 兒玉大輔 , 劉盛進 A, J.Y. MoonB

九州大学大学院理学研究院A 神戸大学大学院理学研究院

BChung-Ang University

恒星温度における 4He(12C,16O)g 反応の直接測

定

2

4He+12C 反応

• ヘリウム燃焼後の 12C/16O 存在比がこの断面積で決まる　→ 後の星の進化に影響　超新星爆発 or 白色矮星、宇宙の元素組成比等にも影響

• 天体温度 (Ecm=0.3MeV) での 4He(12C,16O)g 反応– Coulomb 障壁により断面積は微少 (~10-8 nb)– Sub-threshold に 16O の励起準位

• Ecm=2.4MeV から 0.7MeV まで精密測定 ( 精度 10%)　　→ Ecm=0.3MeV での断面積は外挿で求める

Ecm (MeV) s (nbarn)

2.4 60

1.5 1

1.15 0.1

1.0 3x10-2

0.85 10-2

0.7 10-3

0.3 10-8

our experiment( 10% accuracy)

外挿

恒星温度

E1

E2

16O 直接測定

• How to measure ?① 4He beam + g 直接測定② 16O の直接測定 : 12C beam と 4He 標的を使った逆運動学測定

• high efficiency (~ 40%: 荷電分布で決まる )• total S-factor can be obtained

③ Inverse reaction, 16O + g (virtual or real) measurement④ 16N decay measurement

• Ecm=0.7MeV での測定に必要なのは– バックグラウンド除去能率 : NBG/N12C ratio of 10-19

– 厚い Gas ターゲット : ~25 Torr x 3 cm– high intensity beam: ~ 10 pmA– ターゲット通過後の荷電分布　→劉さん発表 ( この後 )

4

Experimental Setup

• Kyushu University Tandem Laboratory (KUTL)

Detector (Si-SSD)

Sputterion source

12C beam

Tandem Accelerator

Final focal plane(mass separation)

Blow in windowless4He gas target

Long-time chopper

chopperbuncher

16O

12C

Recoil Mass Separator(RMS)

Ecm = 2.4~0.7 MeVE(12C)=9.6~2.8 MeVE(16O)=7.2~2.1 MeV

Tandem

RMS

5

BG Reduction and 16O Detection

v dispersionm dispersion

Recoil Mass Separator– 12C/16O 分解能 : ratio of 10-11

– 角度 acceptance: ±1.9deg 反応後の 16O を 100% 収集できる

• 問題となる 12C バックグラウンド– 荷電変換– 真空容器との多重散乱ED 以降 16O と p/q が同じだと分離できない

• Background reduction① RF deflector (Long-Time Chopper) :

~10-3 ② 電極位置の最適化③ 稼働スリットの設置・最適化 : 10-2

④ 真空度の改善 : 10-1

6

Ecm=1.5 MeV Experiment

• beam: 12C1+, frequency: 3.620MHz– energy: 6.0MeV, intensity:

60pnA

• target: 4He gas 15.0 Torr x 3.98 cm• observable: 16O3+, 4.5 ± 0.3 MeV– abundance = 40.9 ± 2.1 % = efficiency

95 hours data

16O

208 counts

7

Cross Section and S-factor

• 2 点のエネルギーで断面積測定を求めることが出来た– 2.4MeV:– 1.5MeV:

• 現状のバックグラウンド除去率は NBG/N12C =10-16

• 次のエネルギー (Ecm=1.15MeV) での測定には、もう 1 桁以上必要

bkeV 3.889.0S(2.4) nb, 2.764.6

D. Schurmann et al.Eur. Phys. J. A 26, 301-305 (2005)

Our data (2009, 2010)

bkeV 2.826.6S(1.5) nb, 0.090.900

, 2010

stellar energy

イオンチェンバー開発

• 現状のセットアップでは 16O と 12C の分離が不十分– 最終目標の Ecm=0.7MeV までは後 3 桁の BG 除去が必要

• 静電 Deflector や Wien-Filter→ 設置場所の問題で難しい• 検出器で分ける

イオンチェンバーで DE 情報を取得

E-DE のシミュレーション

Ar ガス :20Torrx5cm

16O (4.5MeV)

12C (1~6MeV)

Total E [MeV]

DE [

MeV

]

設計

• ガス : PR-Gas, 10~30 Torr• 有感エリア : 40Hx40Wx50tmm2

• 入射窓 : PET foil, 0.5mm, f45mm

• 電圧 :– Cathode: GND, Grid: 100V, Anode: 150V

• 1ns 以下の時間分解能が必要→ 最終面に SSD を設置

f45mm

cathode

frish grid

anode

SSD

PETfoil

50mm

40mm

50mm

particle

200 400 600 800 1000 1200 1400 16000.0

500.0

1000.0

1500.0

2000.0

2500.0

3000.0

3500.0

4000.0

4500.0

– Grid 電圧とゲインの関係 . 600V 以下が電離領域

性能評価

16O beam　　　　　　

Ionization Chamber

θ12 C,1

6 O

7μg/cm2 C-foil• Ionization Chamber

– PR-gas: 20 Torr– Cathode: -150V, Grid: -50V

• 16O + 12C 弾性散乱で性能テスト– Beam: 16O2+, 9.6MeV– Target: 12C(7 mg/cm2)

12C: 5.91MeV

16O: 4.75MeV

– 16O(4.75MeV) と 12C(4.7MeV) の分離が出来た– エネルギー分解能 DE/E=6%(FWHM)

Total E [ch]

DE [

ch]

45.0°37.5°

12C: 4.70MeV

12C+a テスト測定

• Ecm=1.5MeV の条件でテスト– 6.0MeV, 12C beam: ~100nA

– 16O(4.5MeV) と 12C(3~6MeV) が 3 桁以上 (99.9%) の比で分離出来た

– エネルギー分解能 DE/E=9%(FWHM)

• タンデムから自発発生する 16Oビームをパイロットビームとする

projection

12C

16O

Total E [MeV]

DE [

MeV

]

DE [MeV]

• E-TOF図 : particle ID前と後

16O

10 hours data

Total E [MeV]

TO

F [n

s]

13

Summary

• 九大ではヘリウム燃焼後の 12C/16O 比を決定するため、 4He(12C, 16O)g 反応を 16O の直接測定で求めようとしている

• これまでに Ecm= 2.4, 1.5 MeV の 2 点で測定を行った

• 現状でのバックグラウンド除去能率は NBG/N12C=10-16 であるが、Ecm=0.7MeV の測定には 10-19 必要である

• ガス中のエネルギー損失で 16O, 12C 分別する方法を考え、イオンチェンバーを開発した

• Ecm=1.5MeV テスト実験を行った結果、これまでの 3 桁以上のバックグラウンド除去が確認できた。より低いエネルギーで測定する準備が整った

14

BACKUP

15

水素 (H) 燃焼

4p → 4Hevia

p-p chain &CNO cycle

ヘリウム (He) 燃焼

3 4He → 12C4He+12C → 16O+g

炭素 (C) 燃焼

酸素 (O) 燃焼 Si 燃焼

Evolution of Stars

12C/16O 存在比がこの過程で決まる→ 後の星の進化 ( 元素合成 ) に影響　超新星爆発 or 白色矮星　宇宙の元素組成比等にも影響

16

Windowless Gas Target

RMS

TMP3

TMP4MBP2TMP2TMP5

MBP1

beam

TMP1

DP

1500 l/s

3000 l/s330 l/s

330 l/s520 l/s 520 l/s

520 l/s

350 l/s

Differential pumping system (side view)

• center pressure: 24 Torr - post stripper is not necessary• effective length: 4.45 ± 0.05 cm (measured by p+a elastic scattering)

→ target thickness is sufficient for our experiment (limited by energy loss of 12C beam)

24Torr

SSD: beam monitor4.5cm

• Blow-In Gas Target (BIGT)– windowless & high confinement capability

beam

17

Trajectory Analysis• 12C backgrounds were rejected by

slit control based on trajectory analysis

16O3+ 4.5MeV (Ecm=1.5MeV)

12C3+ 6.0MeV

12C2+ 3.0MeVslits

target

ED D1 D2final focal plane(detector)

v dispersion

Background from LTC

極板を下げる

19

Ecm=2.4MeV Experiment

• beam: 12C2+, frequency: 6.063MHz– energy: 9.6MeV , intensity: ~35pnA

• target: 4He gas ~ 23.9 Torr x 3.98 cm• observable: 16O5+ 7.2 ± 0.3 MeV

– abundance = 36.9 ± 2.1 % = efficiency

29hours data

941 counts

16O

pass only reaction products (16O) which are spread in time.

f2=3×f1

V2=V1/9

f1=6.1MHzV1=±24.7kV

V3=23.7kV

reject BG

pass reaction products

+

Flat-bottom voltage

RF-Deflector (Long Time Chopper)

BG(12C)16O5+

500events

12C beam• TOF information is needed for background rejection• pulsed beam: buncher, chopper

TOF [ch]

width: 5.43nsefficiency: 　 33.7 %

12C －

sin wavefrequency: 3.5-6.0MHzvoltage: 2.8kVpp

accel accel

decel decel

slitsin wavefrequency: 3.5-6.0MHzvoltage: 3.0kVpp

Chopper

Buncher

12C beam

12C foil

Si-SSD

L

C1

to acc. tube

RF in

Resonator

acceleration tube

C2

capacitor

240mm

f40

22

Charge State Fraction of 16O

0

10

20

30

40

50

60

70

2 4 6 8 10 12 14

Frac

tion

[%]

Energy [MeV]

5+4+3+ 6+2+

7+

Our dataW. Liu et al. / Nucl. Instr. and Meth. A 496 (2003) 198–214

Normal operation of tandem accelerator.

Accel-decel operation of tandem accelerator.

At low acceleration voltage, focusing becomes weak, and beam transmission decreases.

By alternative focus-defocus, Focusing becomes strong, and Beam transmission increases.

By the accel-decel operation, ・ 10 times higher beam transmission is obtained by strong focusing. ・ 17.5 times more intense beam can be injected, due to higher electric power

necessary for accel-decel operation.By a large aperture (12f) gas stripper, spread in beam energy and angle is

decreased, and beam transport to the target is ~3 times increased.

Totally, beam intensity is 300-500 times increased.

normal operation

accel-deceloperation

Al shorting bars for accel-decel operation