4 he 12 c 16 o g
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恒星温度における 4 He( 12 C, 16 O) g 反応の直接測定 PowerPoint PPT Presentation


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恒星温度における 4 He( 12 C, 16 O) g 反応の直接測定. 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 . Moon B 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 B Chung-Ang University. 4 He+ 12 C 反応. ヘリウム燃焼後 の 12 C/ 16 O 存在比 がこの断面積で決まる  → 後の星の 進化に 影響

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恒星温度における 4 He( 12 C, 16 O) g 反応の直接測定

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Presentation Transcript


4 he 12 c 16 o g

恒星温度における4He(12C,16O)g反応の直接測定

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


4 he 12 c

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 (~10-8nb)

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

our experiment

( 10% accuracy)

E1

E2

恒星温度

外挿


4 he 12 c 16 o g

16O 直接測定

How to measure ?

4He beam + g直接測定

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

Inverse reaction, 16O+ g (virtual or real) measurement

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)


Experimental setup

Experimental Setup

Kyushu University Tandem Laboratory (KUTL)

Tandem Accelerator

chopper

buncher

Blow in windowless

4He gas target

12C beam

RMS

12C

Sputter

ion source

Recoil

Mass

Separator

(RMS)

Tandem

Long-time chopper

Final focal plane

(mass separation)

Ecm = 2.4~0.7 MeV

E(12C)=9.6~2.8 MeV

E(16O)=7.2~2.1 MeV

16O

Detector (Si-SSD)


Bg reduction and 16 o detection

BG Reduction and 16O Detection

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 reduction

RF deflector (Long-Time Chopper) : ~10-3

電極位置の最適化

稼働スリットの設置・最適化: 10-2

真空度の改善: 10-1

v dispersion

m dispersion


E cm 1 5 mev experiment

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


Cross section and s factor

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

, 2010

stellar energy

Our data (2009, 2010)

D. Schurmann et al.

Eur. Phys. J. A 26, 301-305 (2005)


4 he 12 c 16 o g

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

16O (4.5MeV)

DE [MeV]

E-DE のシミュレーション

Arガス:20Torrx5cm

12C (1~6MeV)

Total E [MeV]


4 he 12 c 16 o g

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

50mm

SSD

particle

cathode

PET

foil

40mm

f45mm

frish grid

anode

50mm


4 he 12 c 16 o g

性能評価

Ionization

Chamber

  • 16O + 12C弾性散乱で性能テスト

    • Beam: 16O2+, 9.6MeV

    • Target: 12C(7 mg/cm2)

12C,16O

  • Ionization Chamber

    • PR-gas: 20 Torr

    • Cathode: -150V, Grid: -50V

16Obeam

θ

7μg/cm2 C-foil

45.0°

37.5°

DE [ch]

16O: 4.75MeV

12C: 5.91MeV

12C: 4.70MeV

  • Grid電圧とゲインの関係. 600V以下が電離領域

  • 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]


12 c a

12C+aテスト測定

  • Ecm=1.5MeVの条件でテスト

    • 6.0MeV, 12C beam: ~100nA

  • 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

DE [MeV]

16O

projection

12C

Total E [MeV]

DE [MeV]

  • 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)


4 he 12 c 16 o g

  • E-TOF図: particle ID前と後

10 hours data

16O

TOF [ns]

Total E [MeV]


Summary

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


Backup

BACKUP


4 he 12 c 16 o g

Evolution of Stars

ヘリウム(He)燃焼

3 4He → 12C

4He+12C → 16O+g

水素(H)燃焼

4p → 4He

via

p-p chain &

CNO cycle

炭素(C)燃焼

酸素(O)燃焼

Si燃焼

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


Windowless gas target

Windowless Gas Target

3000 l/s

520 l/s

330 l/s

DP

TMP3

MBP1

RMS

beam

TMP4

TMP2

TMP5

MBP2

TMP1

520 l/s

350 l/s

520 l/s

330 l/s

1500 l/s

  • Blow-In Gas Target (BIGT)

    • windowless & high confinement capability

24

Torr

beam

SSD: beam monitor

Differential pumping system (side view)

4.5cm

  • 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)


Trajectory analysis

Trajectory Analysis

12C backgrounds were rejected by slit control based on trajectory analysis

slits

12C3+ 6.0MeV

16O3+4.5MeV (Ecm=1.5MeV)

ED

D1

D2

v dispersion

final focal plane

(detector)

target

12C2+ 3.0MeV


Background from ltc

Background from LTC

極板を下げる


E cm 2 4mev experiment

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


Rf deflector long time chopper

f1=6.1MHz

V1=±24.7kV

f2=3×f1

V2=V1/9

V3=23.7kV

RF-Deflector (Long Time Chopper)

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

reject BG

+

pass reaction

products

Flat-bottom voltage

BG(12C)

16O5+

500events


12 c beam

f40

240mm

12C beam

Resonator

capacitor

  • TOF information is needed for background rejection

  • pulsed beam: buncher, chopper

RF in

C2

Buncher

width: 5.43ns

efficiency:33.7 %

accel

accel

L

C1

12C-

decel

decel

to acc. tube

sin wave

frequency: 3.5-6.0MHz

voltage: 2.8kVpp

acceleration tube

Chopper

TOF [ch]

12C foil

12C beam

sin wave

frequency: 3.5-6.0MHz

voltage: 3.0kVpp

slit

Si-SSD


Charge state fraction of 16 o

Charge State Fraction of 16O

Our data

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


4 he 12 c 16 o g

Normal operation of tandem accelerator.

Accel-decel operation of tandem accelerator.

By alternative focus-defocus,

Focusing becomes strong, and

Beam transmission increases.

At low acceleration voltage,

focusing becomes weak, and

beam transmission decreases.


4 he 12 c 16 o g

accel-decel

operation

normal

operation

Al shorting bars for accel-decel operation

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.


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