2. 中国原子能科学研究院 核物理研究所, 北京 102413
2. Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China
随着放射性核束装置和探测技术的高速发展,核物理学家们的兴趣从稳定线附近的原子核转移到了偏离稳定线的原子核,这些原子核及其引起的核反应成为当前核物理领域里重要的研究内容之一.由于最外围核子的弱束缚性核子束缚态和连续谱的耦合变得更加重要,这些原子核表现出了一些奇异的现象,如中子晕/皮结构、旧幻数消失新幻数出现等[1, 2].
1985年,Tanihata等通过放射性核束装置测量原子核相互作用截面时,首次发现了中子晕现象[3].晕结构的特征是最外围核子占据较大的空间,其核半径远大于具有相同核子数的稳定核.外围价核子的束缚能很小,通常＜1 MeV.也正是由于这样的奇异性,由奇特核引起的核反应与稳定核引起的核反应表现出了不同的实验现象,包括弹性散射(elastic scattering)、破裂(breakup)反应及熔合(fusion)反应.通过研究这些奇特核引起的核反应有助于研究奇特核的结构及其相关反应机制[4].
近几十年来研究人员在奇异原子核在核反应方面进行了大量的研究工作,例如转移反应、熔合反应和破裂反应等.在熔合反应中,耦合道效应(非弹性散射、转移和破裂)强烈地影响熔合截面,尤其是在亚垒能区.对稳定原子核，由于有高的破裂阈,因此破裂道的耦合对熔合截面影响小;对弱束缚原子核,例如6,7Li,9Be和6He,11Be,8B等,它们的破裂阈小,会发生不同的熔合过程,有完全熔合和非完全熔合.对弱束缚原子核通常有2种效应影响完全熔合截面:
1) 密度的弥散分布降低势垒的高度和改变势垒曲率,导致熔合增强.
2) 破裂道的耦合效应引起的强动力学效应,这方面没有明确的说法,需要进一步研究.
因此对弱束缚原子核熔合截面是增强还是压低,有不同的结论.和耦合道计算进行比较,在没有考虑破裂道时,展示完全熔合截面被压低10%～30%,但从总熔合截面上没有观察到这种效应,连续-分离耦合道(Continuum Discretized Coupled Channels,CDCC)计算展示完全熔合截面在垒上压低,垒下增强.
弹性散射是一个非常重要的反应道,能够探索原子核的内部结构和反应系统的反应机制.弱束缚原子核的弹性散射测量能够研究它们的奇异结构.由于它们小的破裂阈,因此在相对的低能反应中破裂道成为一个重要的竞争过程,耦合道分析需要考虑.对弹性散射数据的分析,一些重要的信息能被得到,例如总反应截面.文献[5, 6, 7, 8]利用弹性散射探索入射炮弹的动力学、静态和几何效应.
近几年从实验和理论上,研究人员已尽力对弱束缚原子核的破裂道对于熔合截面的耦合效应的强弱进行了研究.然而对于滴线附近轻奇特核的研究,目前没有足够多的弹性散射数据,相关原子核结构信息的准确性和可靠性也有待进一步的提高.破裂反应也是奇特核核反应中的一个重要反应道,其实验数据能很好地为相关核反应机制和核结构提供有效的信息[5].在一些熔合反应实验研究中,奇特核的破裂效应带来不同的结果[6, 7].也有一些弹性散射实验来探究奇特核的动力学、静态效应和几何效应[8, 9].但是,到目前为止,这些奇特核的系统性研究还没有研究透彻,需要进一步的实验支持.
1 研究现状奇特核中,稳定的有6,7Li和9Be,不稳定的有6He、8B、7Be和17F.本文所选择的17F是质子滴线核,激发态有质子晕结构,其最后一个质子的束缚能只有601 keV;而且在破裂反应阈以下只有一个激发态,激发能为495 keV.
近些年,国际上已开展了以17F为弹核的相关实验,而靶核大部分集中在重核和轻核上[10, 11],如208Pb和12C,而中重靶核较少.Mazzocco等的实验[12]研究了17F+58Ni,其弹散数据表明17F的行为与同为不稳定弱束缚核的6He和8B不同.但是由于数据过少,没有明确的结论.同样,相应破裂效应的研究也是集中在重靶核和轻靶核上.对重靶核,17F与之相互作用基本为库仑作用;对轻核,17F与之相互作用基本为核相互作用.但对中重靶,两种相互作用都有一定影响,相应的破裂效应如何没有进行探究.因此,通过这个实验,除了能获得库仑位垒附近17F在中重靶核上的光学势,还能进一步知道核相互作用与库仑相互作用两者的影响程度.
对意大利的17F+58Ni实验只选择了两个能量点[12],且能值非常靠近,很难给出17F+58Ni的走势,不能判断在垒下是增强还是压低,同样也不能清楚地给出约化函数的趋势,因而在实验上需要进一步验证.增加位垒附近能量点,利用约化函数和Wong公式[13]中的普适化函数F0(x)进行比较,可以得到17F在中重靶上的动态效应.Wong公式没有考虑耦合道效应,结合反应函数[14]可用来间接研究动力学效应.
对奇特核在库仑位垒附近散射实验数据的分析表明[8],探究这些核的反应机制仍需要更多的实验数据.包括17F在库仑位垒以下的散射数据.本文实验17F+58Ni选取库仑位垒附近的4个能量点,最终的数据将完善17F在中重靶上的反应函数趋势,进而能更清晰地看到17F与中重靶的反应机制.
有关17F熔合反应的破裂效应,Rehm和Liang等进行了17F+208Pb实验[15, 16],探究了17F与重靶相互作用时的熔合反应和破裂效应.实验结果表明,质子滴线核17F在重靶上的破裂效应很小,对中重靶上没有此方面的研究,因此对其在中重靶上的破裂效应值得去研究.
在17F+58Ni的反应中也会产生17F的破裂产物质子和16O,对其进行符合测量,可以直接得到破裂截面;利用CDCC理论来分析破裂反应截面,可以得到17F与重靶和中重靶的反应机制有何不同,可以了解质子晕核的破裂反应机制.因此在整个实验中需要对这些反应产物进行很好的测量,为了达到实验的目的,设计和模拟了实验的探测系统.
2 实验装置和模拟 2.1 探测器结构简介本文所要研制的探测器系统是一套探测器阵列,一个探测器个体由电离室(Ionization Chamber,IC)、双面硅条探测器(Double-sided Silicon Strip Detectors,DSSD)和大面积硅条探测器(Quarter Silicon Detector,QSD)组成,其结构见图 1.
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| 图 1 探测器个体的构成Fig. 1 Setup of an individual detector |
探测器将鉴别17F与58Ni的反应产物及其位置和能量信息,主要为弹性碰撞的17F和17F破裂产物质子p和16O,采用粒子鉴别方法是ΔE-E望远镜法,ΔE为粒子在探测器中能量损失,E为粒子的能量.其中,17F和16O是重核,容易被硅探测器全部阻止,这就要求在实验过程中使用阻止本领更小的电离室来作为ΔE-E法中的ΔE探测器;质子p穿透本领较强,在电离室中的能量损失极小,使用Si探测器同时作为ΔE探测器和E探测器.所以,探测器个体中的3个部分构成了两套ΔE-E系统:电离室与DSSD组成第1套ΔE-E系统,用于鉴别17F和16O并给出其能量及空间信息;DSSD和QSD组成第2套ΔE-E系统,用于鉴别破裂产物中的质子p并给出它的能量及空间信息.
2.2 预模拟在正式设计电离室之前,首先利用Geant4来预模拟整体布局方案的几何效率,从而确定探测器阵列中的探测器数量和空间布局.Geant4是由欧洲核子研究中心CERN和日本高能物理研究所KEK利用现代计算机技术改进当时基于FORTRAN开发的模拟程序Geant3,现已成为一种灵活方便的工具,用户可以以面向对象的继承与多态性的方式设定探测器几何参数、物理过程、相互作用,以及动态地加载其他程序库等.
Geant4是基于C++的蒙特卡罗程序.一个Geant4程序通常由6个模块组成,分别为探测器构建(detector construction)、物理过程(physics list)、发射源(primary generator action)、Run操作(Run action)、Event操作(Event action)、Stepping操作(Stepping action),并通过一个主程序管理.用户在detector construction中描述探测器组成、几何及材料;在physics list中编写可能涉及的粒子和相关物理过程;在primary generator action描述发射源的参数,包括几何、方向(分布)、能量(分布);在Run action、Event action和Stepping action编写蒙特卡罗模拟中Run、Event和Stepping过程的相关操作.
在Geant4模拟中评估了3个方案,分别为使用6个、8个和10个探测器个体的探测器系统，其相应参数如表 1所示,并分别描述在各自的detector construction中.这3个方案都为预模拟,由于外框和内部结构细节未知,在第2.3节再模拟中会对部分参数进行修正.
| 探测器 数量 | 距靶 中心/ mm | 单块 覆盖/ (°) | IC间 隙角/ (°) | 束流 空间/ mm | 靶死 区角/ (°) | 17F/ % | 16O&p/ % |
| 6 | 30.0 | 34.7 | 17.8 | 16.1 | 18.1 | 31.6 | 10.5 |
| 8 | 60.0 | 25.6 | 13.0 | 27.7 | 25.6 | 21.6 | 11.3 |
| 10 | 80.0 | 21.8 | 11.0 | 28.2 | 18.2 | 18.3 | 9.2 |
表 1中:距靶中心为电离室前端距靶中心的距离;单块覆盖为距电离室前端50 mm的单块DSSD所覆盖的角度;束流空间为探测器阵列前后预留给束流通过的宽度;靶死区角为所采用的靶较厚,探测与靶平面夹角过小的粒子无意义,故留出空间不设置任何探测器.模拟的几何效率(被探测器记录的事件数/事件总数)如表 1后最后两列所示.17F为探测器系统对17F的几何效率,即进入探测器系统的17F数量/粒子源发射出的17F数量;16O&p为探测器系统对16O&p的几何效率,即16O和p同时进入探测器系统的事件数/粒子源发射的17F数量(17F全部破裂成16O&p).
粒子源(primary generator action)都为φ20 mm的圆形17F面源,能量70±0.5 MeV,向4π方向均匀发射.在Stepping操作中编写代码判断粒子是否进入DSSD,若某step前端在DSSD内且后端在电离室内则判定该17F被探测器记录;如果所有step都不符合判定条件,则认定该17F没被探测器记录.根据17F的动量和能量,计算出在质心系下4π方向随机破裂的质子p和16O的运动方向并判定是否同时被探测器记录.判断是否被探测到的代码实现与17F相同,如果某step前端在DSSD内且后端在电离室内则判定p或16O被探测器记录.
由表 1中的模拟的几何效率数据对比可发现,8个探测器的方案较合理.较第1个方案增加了2个探测器,覆盖角度的增加弥补了空间距离拉大带来的计数损失,总体效率增加;而10个探测器的方案则是3个方案中表现最差的方案,无论是17F的探测几何效率还是16O&p的探测几何效率,都是3个方案中最低的.
据表 1所示结果,决定将探测器个体设置为8块.在实际设计过程中,由于需要将电离室外框厚度、连接处的密封性、预留给电子学和气体的空间等问题考虑在内,必须修改一些参数以满足实际上可行的要求:
距靶中心由原来的60.0 mm修改为92.0 mm,则相应单个探测器个体所占角度为33.2°,内部单块DSSD所占角度为19.4°.由电离室有效气体的50.0 mm厚度、前端的3.0 mm壁厚及内部PCB板的1.0 mm厚度可知,DSSD最终距靶中心的垂直距离为146.0 mm.
束流空间由原来的27.7 mm修改为19.9 mm,该距离为束流两侧探测器个体间的最近距离.在实验过程中束流的宽度可能超过19.9 mm,因此需要在合适位置设置狭缝,以防粒子接触到探测器而引起的损伤和信号干扰.
考虑到灵活性,将靶死区角与探测器个体所占角度进行相同设置.扣除束流空间所占角后,将剩余角度10等分,其中8块区域放置探测器,另外2块作为靶死区,如图 2所示.
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| 图 2 探测器布局Fig. 2 Layout of detectors |
图 2的设计方案空间布局紧凑,阵列探测效率高,并同时具有通用性.在实验操作中,可根据实际需求将探测器在10个区域内进行任意“移动”、“移除”、“更换”操作.
电离室的设计如图 3所示.外框横截面为梯形,短边为55.4 mm,长边为112.0 mm,厚为91.0 mm,高为115.0 mm.前端开有20.0 mm×20.0 mm的粒子入射窗,周围设有2.0 mm宽的密封O圈及相应固定螺孔.背板边沿设有M4.0 mm的螺孔,用于与前面的外框固定;3.0 mm密封的O圈位于外框后端(未在图 3中显示).内部紧贴PCB,前后距离为51.0 mm(PCB板厚为1.0 mm和电离室有效空间厚为50.0 mm),内壁制有等位环.阳栅阴板的极板几何尺寸相同,与PCB相切.之后放置DSSD和QSD,背板的矩形孔为DSSD和QSD的信号输出.
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| 图 3 单个探测器的实际结构Fig. 3 Real setup of an individual detector |
对设计好的探测器系统用Geant4进行了再模拟,包括预模拟中的17F探测几何效率、16O&p探测几何效率以及三者在不同出射能量下在电离室、DSSD、QSD中的能量沉积.电离室中的气体为C3H8、气压为0.3倍大气压;粒子出射能量从20~80 MeV,间隔为10 MeV.发射源设置为φ20 mm的圆形面源,向4π方向均匀发射.
1) 几何效率.
30 000个17F向空间4π均匀发射,出射位置为圆形面源内的任意位置,被探测器系统(如图 2所示的8个探测器)记录的事件数为4 983,其效率为16.6%±0.2%.
因为17F的破裂反应发生在与靶核相互作用时,p和16O的运动起点与破裂前对应的17F相同.若上述30 000个17F全部破裂成质子p和16O,由于p和16O的运动往相反方向偏离,有可能出现只有p或16O被探测到或都没探测到的结果.据Geant4模拟结果,p和16O同时被记录的事件数为1 406.故该探测器系统对p和16O符合探测效率为 4.7%±0.1%.
2) 能量沉积.
当进入探测器时,粒子会依次被电离室、DSSD和QSD探测到.能量在20~80 MeV之间的17F和16O不足以穿透DSSD,因而其一部分能量沉积在电离室,剩余能量则沉积在DSSD.17F和16O在电离室中的能量沉积占总能量的百分比如表 2所示.
| 反应 产物 | 能量沉积百分比/% | ||||||
| 20 MeV | 30 MeV | 40 MeV | 50 MeV | 60 MeV | 70 MeV | 80 MeV | |
| 17F 16O | 68.4 55.4 | 36.5 29.6 | 23.8 19.0 | 16.7 13.3 | 12.5 9.7 | 9.8 7.5 | 7.8 6.1 |
剩余能量全部沉积在DSSD中,其结果未列在表 2中.该表为0.3倍大气压下C3H8中的结果,可为实际的实验操作提供参考以调节气体压强来达到合适的实验要求.
质子p的穿透能力较17F和16O强,能量在20~80 MeV之间的质子p能够依次穿过电离室、DSSD,并最后的剩余能量沉积在QSD.20~80 MeV的质子p在电离室和DSSD中的能量沉积占总能量的百分比如表 3所示.因剩余能量全部沉积在QSD中,其结果未列在表 3中.
| 探测器 | 能量沉积百分比/% | ||||||
| 20MeV | 30MeV | 40MeV | 50MeV | 60MeV | 70MeV | 80MeV | |
| IC DSSD | 0.12 25.5 | 0.09 17.7 | 0.07 13.9 | 0.07 11.9 | 0.04 10.1 | 0.06 8.9 | 0.05 8.1 |
根据研究的方案,对实验用的实验探测系统利用Geant4进行了模拟,获得了散射的17F分布以及破裂产物质子和16O的分布.按照模拟的参数,结合实际情况,得到实验探测系统对16O和质子的符合效率为4.7%±0.1%,这为实验的开展提供了很好的依据.按照模拟的结果,为实验系统的设计提供了详实的参数,为实验的成功开展和顺利完成奠定了很好的基础.
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