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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

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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  1. 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

  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 (~10-8nb) 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

  3. 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)

  4. 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)

  5. 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

  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 , 2010 stellar energy Our data (2009, 2010) D. Schurmann et al. Eur. Phys. J. A 26, 301-305 (2005)

  8. 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]

  9. 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

  10. 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]

  11. 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)

  12. E-TOF図: particle ID前と後 10 hours data 16O TOF [ns] Total E [MeV]

  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. 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

  16. 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)

  17. 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

  18. 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

  20. 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

  21. 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

  22. Charge State Fraction of 16O Our data W. Liu et al. / Nucl. Instr. and Meth. A 496 (2003) 198–214

  23. 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.

  24. 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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