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

実験概要

反応 : 12C + 4He → 16O + Ecm = 2.4~0.7 MeVE(12C)=9.6~2.8 MeVE(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

前段バンチャー (not in use)

バンチャー

• 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

加速 加速

減速 減速

12C －I

t

I

t

飛行距離 L(7m) 地点

入射時

疎密ビーム

連続ビーム

129mm(12C,150keV の半波長 )

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-6 -4 -2 0 2 4 6

sin(x)

150keV の 12C をパルス化周波数 :6MHz電圧 : 2.8kVpp

チョッパー

• 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

I

t

チョッパー後

スリット

12C1+

V

バンチャー 6MHz,150kV,12C の場合周波数 :3.5MHz電圧 : 3.0kVpp

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

LCf 210

変更作業• 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

L

C1

電極へ

RF in

共振器

電極管

22

1

4

1

fCL

L

C1

C2

C2

スピーカコンデンサ

240mm

40

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

•タンデム入射 3A 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 )

有効長 : 500mm口径 : 12

ピポット軸受型ターボ分子ポンプ x2

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

12C beam

12C foil

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 )

前段バンチャー改良案• 現状

– 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

→ バンチャーと同じ f+2f 型へ変更

extraction15kV

12C

鋸歯状波入力

cathode5kV

設計

• 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 5pA のパルスビーム– タンデム入射にパルス化無しで 30pA は必要

バンチ出来る範囲

extraction15kV

12C

cathode5kV

focus

f 2f

~300mmf+2f, 2つの電極で 12C が受ける電圧の和

まとめ

• 天体核実験では 12C + 4He → 16O + 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

加速減速収束法

ビームの収束効率は電圧勾配に依存

加速管の一部をショートし、電圧勾配を上昇

ただし•　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

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

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