RIBFにおける重イオン蓄積リング

目次・RIBF施設概要
・稀少RIリング（R3）・RUNBA計画

理研仁科センター実験装置開発室 山口由高

RIビームファクトリーRUNBA計画

イオン源
線形加速空洞実験装置群

稀少RIリング

多段式サイクロトロン
RIビーム生成分離装置（BigRIPS）

極短寿命（10ms以下）
な不安定核の精密質量測定実験施設

Beam Intensity atRIBF
RIBF
Performance Summary

RIBFのビーム強度推移
1000

Courtesy of N. Fukunishi

Courtesy of N. Fukunishi
12.2 kW320 AMeV 4He 18O
48Ca(pnA)

86Kr

238U

AVF injection
18-GHz ECRIS@RILAC

2008

2009

Graphite-sheet stripper

He-gas stripper / Be-diskstripper / fRC upgradeFixed energy0.1
2007

5.8 kW

124Xe

Variable energy1

fixed-energy mode

70Zn

70Zn

100

10

13.1 kW78Kr

SC-ECRIS with 28-GHz
heating @ RILAC2

SC-ECRIS with 18-GHz heating @RILAC (test operation)

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

(year)

Beam energy: 345 MeV/u
Beam energies are 345 AMeV if it is not explicitly written.

Maximum beam intensities
238U

124Xe
78Kr

北海道大学 2019年3月6日

70 pnA

100 pnA
486 pnA

70Zn 250 pnA

48Ca 730 pnA

福田 直樹, 理研仁科センター

As of April 2018

New isotopes at BigRIPS (2007‒Present)

RIBFにおける新同位元素

AsCourtesyof November
2018of N. Fukuda

Proton number

140 new isotopes

10 nuclides
Fragmentation of 124Xe
3 nuclides
78Kr

119 nuclides
In-ﬂight ﬁssion of 238U
Under conﬁrmation

8 nuclides
70Zn

194 new isotopes in near future(54 more isotopes to be conﬁrmed)

Neutron number
北海道大学 2019年3月6日

福田 直樹, 理研仁科センター

稀少RIリング（R3）2012〜2014：建設・整備
2015〜2017：ビームによる試運転 0.94
2018.11：最初の質量測定実験
0.92(a)Qy

入射0.90"p/p=-0.5%

0.88"p/p=+0.5%
6回対称、周長60m
0.86最大磁気剛性6.0Tm
1.16
1.20
1.24
1.18
1.22-5-6Q
到達真空度10 ~10 Pa (目標10-8Pa)
x取り出し(b)8.512.5!y!x

8.0

13.0

12.0

7.5

11.5

7.0

11.0
Dispersion

6.5
6.0024!y [m]!x ,Dispersion [m]

9.0

10.5
68

10.0
10s [m]Figure 4: (a) Tune diagram of the ring for Bρ = 6.0 Tm particle. Higher-order reson

than fifth order are shown by dashed lines. The beta functions, βx,y , and the dispe

質量測定の概念

既存手法との比較

質量相対精度δm/m
10-5

Cyclotron

1. Bρ - TOF - dE による粒子識別2. 1回に1粒子だけ入射

飛行時間
SPEG

MR-TOF

10-7<1ms

<1ms

10-8

<1ms

ペニングトラップISOLTRAP, JYFLTRAPSHIPTRAP,CPT, TITAN
etc..

4. 高精度等時性場で TOFR3 を測定

5. 取り出した粒子を dE - totalE で識別

CL

蓄積リング（等時性）
CSRe ESR-6-61010

3. 入射後1ms以内に取り出しNS

1110100<1ms

1000 半減期（ms）

KickerStorageRing

max.100Hz必須だった技術・1粒子ごとの入射・高精度等時性場の構築

Cyclotron

自己トリガ入射StorageRing

ランダムに生成time

R3

興味のある粒子

SRC

I. Meshkov
W. Mittig et. al.,NIMA523(2004)262

BigRIPS
トリガ信号

OFFON

TargetDetectors@F0@F2-F3

トリガイベントの選択

キッカー
79As

TOF-gate, dE-gate

ΔE
TOF(F2-F3)

10078Ge

201077Ga

76Zn75CuWithout TOF-gate

1076

Zn75

Cu

With TOF-gate入射、周回の確認
入射時の診断キッカー

プラスチックカウンタ

到達時間差(ns)6050
403020100

パルス運転（最大100Hz）
高速応答サイラトロンゲート回路
ハイブリッド充電システム-10分布定数型ツインキッカー
セル数：13/1台-20
特性インピーダンス：12.5Ω
最大充電電圧：75kV
蹴り角：11.4mrad(56kVc, 935Gauss, Bρ=6Tm)

Without TOF-gate

With TOF-gate
75

Cu

76

Zn

77

Ga

78Ge
79500

オプティクス基準：78Ge
1000
1500

測定時間(s)As入射、周回の確認
最初の数十数を診断

78 Kr

タイミング検出器 (C-foil + MCP)

C-foil厚：60ug/cm2
窓サイズ：100mm x 50mm
検出効率：90%(84Kr, 170MeV/u)

2015.6.20

78Ge 〜 65 turns
77Ga 〜 40 turns
76Zn 〜 25 turns

zoomzoom

78Ge

RIビーム
2017.11.29

77Ga

76ZnzoomCalculation for ideal condition

トリムコイル• We searched good parameters to improve the iscorhonism
ÆA region achieving isochronism with precision of 1 ppm is expanded

高精度等時性場の構築
理想的な等時性場

トリム
コイル有り

xx(m)

Beam

周回時間(ns)

入射アクセプタンス

380.80380.75380.70

入射されれば運動量によらず全て ~1ppm !

3σ：~12ppm

380.65380.6017th Novemeber, STORI'17 Y.Abe

78Ge

-0.4

-0.2
110

運動量(%)➡ 目標は1ppm

0.20.4高精度等時性場の構築

78Ge32+

before20kHz

周波数(arb.)

蓄積の診断
等時性場の微調整時の指標
ショットキーピックアップ

共鳴空洞型
高感度：電荷17以上で1粒子を検出
高分解能：ppmオーダ
共鳴周波数：171MHz (TM010)
調整幅：+/-1.5MHz
シャントインピーダンス：161kΩ
Q値：1880

after012017.11.30

2345

蓄積時間(s)(with運動量減少）68nknown masses (m1 /q1 ). Then, the revoGe and other nuclei are defined as T078of
and aothernuclei aredefined foras T0vely.Ge
When
momentumis identical

calculated
value event-by-eventusing
1 /q1 deviation
Eq.tion,(3). weFigure4 showsthe
themmass
between mean
Eq. (3).
Figure4 shows
mass deviation between meanvaluesof thecalculated
mthe
1 /q1 and the AME2016 values
7878
Ge in WhenGe,
Tis0 identicalbecomes
anddependency
ectively.
momentumparticleand erencea ainterested
particle,hence forconstantof thethecalculated
m1 /qof1 andAME2016
valuesfor values
each nuclide
as a function
m/q theof theAME2016.
nceandparticle,
henceOn for
erstoodof βathecanbe eliminated.
theotherhand,themasses
0interested
ngthparticle
is the same,
followingequations
eachnuclide
as asincefunctionof m/qofofnuclidesthe AME2016.
Thisresult
represents
thatthewith
hlengthisthesame,thefollowing
equationsent, beisochronism can not be secured
forresultinterested
particles,This
represents
that the massesof nuclides
widem/qrange
can bedeterminedaccurately
even within
質量導出解析手法の一例
TOF
0,1
wide
canbedeterminedaccurately ineven
inTheir
Tm11 and β1 must be measured
event-by-event.
Then,
the The accuracies
onlyonem/qmassrange
reference
nuclide.
m0
T0,1 = the
γ00β0 = m /qγ11β1can,(1) using
−6
only
one
mass
reference
nuclide.toTheaccuracies
in themm
周回数0,1
only
beexpressed
aboveequations
as,orderof10
is almostcomparable
a GSI
new analysis
11q0 15,q1
γ0 β0 =γ1 β1 ,(1)F3−6order
10instance.
is almostcomparable
to a GSIfurther
new analysis
q0q1
data
[19]offorThe
accuracy
imrespecβ1 測定 will be TOF!
測定
0,1
data
[19]
for instance.
The
accuracy
will be further
im2
provedbydetermining
themassofone
interested
nucleusy 100 βnsm1
m0 T1 (2) 1 − βprovedm(~0.7ms)
0 T1corr. the mass of one interested0 T 0 = β1 T 1 ,1bydetermining
nucleus==,(3)
using
severalmass
referencenuclei.
(2) T1
hown in β0 T0 = β1 T1 , q1q0 T0 re-1 − ( T Meanwhile,q0theTmass
β1 )2 several
0 reference
using
mass
nuclei. are one order of
γ0,1 are velocity and Lorentz factor,
uncertainties
0R3S0ettings,ndγarevelocity
andLorentz
factor,reMeanwhile,themass
uncertainties
areoneorder of0,1 the isochronism to the mass refuning
magnitude worse than the accuracies. One of the causes
By tuning thewhere
isochronism
mass ref- value
magnitude
than theaccuracies.
One of the causes
T1corr.toisthea correctedwith βworse
to T1 applied
1.

AsGe (等時性)GaZnCucted afThe
m/q
canbe
relatively
determined
bythereference
1 10.4
TOFR3 0.2 m0 /q0 and ratio of the revolution times. The bottom
T0 T
imes of0.0 panel of Fig. 3 indicates
T11corr. . The momentum depen-0.2
of their-0.4 1902turns
dence is invisible.
In other 1853turns
words, in principle,
we can 1799turns
1853turns
1878turns
368.4
373.1
373.2
378.1
378.3
383.5
383.6
389.4
389.5
wing to 368.3
derivethe368.5
mass evenwith
only
one378.2
particle,even 383.6
if it isground0.4 injected with any momentum.
0.4
0.2
k, 78 Ge0.2
We
discuss
theaccuracy
by comparing them with the
0.0
0.0
T1corr.
erefore,-0.2 literature values because -0.2
these are well-known masses.
-0.4
-0.4
the moThe
366.4solid
366.5 red line in Fig. 3 indicates380.2 the380.3 calculated
387.8 revo387.9
395.9396.0 396.1
within
AME2016:
周回時間(ns)lutiontime by using Eq. (3) with the mass values
listedChin. Phys. C41 (2017) 030003
in the AME2016 atomic mass evaluation [18]. The experference
imental data for each nuclide indicated by the blue dots
ted nu-運動量(%)

79

78

77

7675

質量導出解析手法の一例(m1/q1)exp. – (m/q)AME2016

5x10-5Pre

3x10-5

1x10-5yr
ani
mli
77Ga

79As

76Zn75Cu

0-1x10-5

基準粒子
78Ge-3x10-5-5x10-5

2.4

2.45

2.5(m/q)AME2016

2.552.6質量測定実験の展望

N=82Sb

Z=50SnInCdAg
PdRh
RuTc
Mo
NbZr

2018.11に実施→解析中
74,76Ni

122Rh, 124Pd (123Pd, 125Ag)

YSr
Rb78GeKrBrSe
As→GeGa
ZnRcor-psse

筋道の→

新同位元素@RIBF
寿命測定@RIBF< 1 particle/day/pnA
半減期 < 20ms
予測値 < 10ms

Cu

Z=28NiCoFe

N=5078Ni

当面の目標は 78Ni、その後さらに外へ※等時性の高度化、測定効率・手法の改善

質量測定以外の可能性
寿命測定
蓄積リングは多価イオン状態のままベータ崩壊の寿命測定できるユニークな装置
ドイツGSIのESRでは束縛状態β-崩壊実験の実績あり(Phys. Rev. Lett. 77 5190 (1996), etc...)R3にだってできる！？
超高真空へ10-8Paに!

ベーキング＋NEGポンプ稼働
ooved scintillator
cm,±40cm,±70cm: primary beam
cm,±40cm : secondary beamte scintillator
cm,±40cm :secondary beam

飛行中に崩壊現象を捉える検出器の開発

真空パイプ内部に張り巡らせ崩壊後の娘核を検出

共鳴型小型ショットキーピックアップ

既存のチェンバに挿入可能（R3全体で3か所挿入可能）
感度は既存の10倍：電荷6以上で1粒子を検出（検出時間の短縮）
調整幅は既存の2倍R3コラボレーションRUNBA計画

概要

RIBFの方向性「 ビーム大強度化」

従来の核反応研究
十分な収量O.K.、1秒に1個は困難「稀少RIビームリサイクル」
反応標的（極端に厚くできない）

リングによる核反応研究
106周/秒03
内部標的

将来的には…
エネルギー回復
RIビーム+RI標的の核融合反応
究極の超重原子核―安定の島をめざして―エネルギー
天然に大量に存在する最大の原子番号の原子核は，92番
補償加速装置58

安定の島合成可能！？のウランである．それよりも大きな原子番号をもつ原子核

エネルギー損失 （超重原子核）は人工的につくることができるが，いったエミッタンス増大いいくつの原子番号の原子核までが存在するのだろうか？

エミッタンス回復

原子核は陽子と中性子からなり，それらは核力で強く結
冷却装置

Ca + 244Pu → 298Fl + 4n

陽子
数

298Fl

合しているが，陽子数が増えていくと電気的な反発力が大©2016

日本物理学会

きくなるため，原子核は崩壊しやすくなる．原子番号が大“1秒に1個でも100万回のチャンス”
きくなるにつれ，原子核は不安定になっていき，ついには存在しなくなるはずである．現在，118 番までの原子核が208Pb

中性子数見つかっているが，119 番以上の原子核は見つかるのだろ

184 と予言できるので，原子番号 114 で質量数 298 の二うか？

魔法数の原子核は，相対的に安定で半減期が長い可能性

鍵となるのは原子核の安定性であり，核力とクーロン力ある．変形の効果を入れた詳しい計算によると，この近概要
RUNBA
ビームリサイクル技術について
軽い低エネルギー粒子を用いて原理検証する場

京大化研sLSR
周長22m
Bρ<1TmZ<5
E<10MeV/u
ISOL

SCRIT施設

B1F@RIBF2019夏
輸送・仮置き完了