超重核充氣譜儀裝置

張志遠，甘再國，黃明輝，黃天衡，馬 龍，馬 飛，鄭 勇，周小紅，徐瑚珊，詹文龍

（1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

超重元素的合成和性質(zhì)研究是檢驗現(xiàn)代核結(jié)構(gòu)理論的重要手段，也是探索元素的原子序數(shù)極限的主要方法。核電荷數(shù)大于92（鈾核電荷數(shù)）的所有元素都是用人工方法首次合成的。多種理論預(yù)言，較208Pb更重的下一個雙幻核在質(zhì)子數(shù)Z＝114（或120、126），中子數(shù)N＝184核素附近［1－3］。目前，實驗室合成元素的原子序數(shù)已達118［4－5］，更高原子序數(shù)的核素合成實驗在不斷進行中。

重離子熔合蒸發(fā)反應(yīng)是合成超重核素的主要方法，但核素的核電荷數(shù)越大，其合成截面就越低（約pb量級），通常，1、2個月的束流實驗才可看到幾個事件，因此，可靠穩(wěn)定的實驗設(shè)備和鑒別手段是超重核實驗的必要條件。在現(xiàn)有實驗技術(shù)下，從薄靶中反沖出的超重核一般都利用電磁分離技術(shù)在飛行中進行分離，并被具有單原子衰變測量能力的探測系統(tǒng)測量和鑒別。主要的分離設(shè)備有兩種：一種是電磁反沖分離器，利用正交電磁場或靜電偏轉(zhuǎn)技術(shù)，將帶電的反沖余核進 行分離［6－7］，如德國 GSI的SHIP［6］、俄羅斯JINR 的 VASSILISSA［7］、法國GANIL的LISEⅢ［8］等。另一種是充氣反沖分離器，將帶有不同電荷的反沖余核與稀薄氣體發(fā)生多次碰撞，使余核電荷態(tài)達到平衡值，并通過設(shè)置合適的磁場強度，對其進行分離［9］，如俄羅斯JINR的DGFRS［10］、日本RIKEN的GARIS［11］、德國 GSI 的 TASCA［12］、美國LBNL的BGS［13］、芬蘭Jyvǎskyl?大學(xué)加速器實驗室的RITU［14］等。兩種分離設(shè)備都具有傳輸速度快、效率高等特點，可用于研究壽命短（μs量級）、產(chǎn)生截面低（pb量級）的重核素的合成及性質(zhì)。

本文主要介紹蘭州重離子研究裝置（HIRFL）上新建的用于超重核研究的實驗終端——充氣譜儀裝置及初步調(diào)試結(jié)果。

1 充氣譜儀裝置

結(jié)合國際上多臺充氣反沖譜儀的優(yōu)缺點，近代物理研究所設(shè)計的充氣譜儀裝置采用QvDhQvQh構(gòu)型（圖1，其中，Qh、Qv分別為具有水平方向和豎直方向聚焦作用的四極磁鐵，Dh為具有水平聚焦分量的二極磁鐵），其主要設(shè)計參數(shù)列于表1。與傳統(tǒng)的充氣譜儀DQQ構(gòu)型不同，本裝置在Dh鐵之前增加豎直方向聚焦的Qv鐵，以增加譜儀接收立體角。Dh鐵在偏轉(zhuǎn)反應(yīng)產(chǎn)物的同時具有水平聚焦作用，以提高譜儀的傳輸效率。本裝置的充氣部分及加速器真空腔的隔離與GARIS［8］的設(shè)計類似，采用差分抽氣系統(tǒng)。該設(shè)計的優(yōu)點在于避免使用真空隔斷窗，對束流能量和束流發(fā)散無影響。充氣譜儀的本底主要來自散射的束流、轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物以及散射的靶離子，而提高本底抑制能力的最直接方法就是增大Dh鐵偏轉(zhuǎn)角。本裝置設(shè)計了較大的偏轉(zhuǎn)角（52°），以減少本底對目標核探測的影響。另外，本裝置的最大磁剛度設(shè)計為2.88T·m，僅次于JINR的DGFRS，可用于磁剛度較大的“暖熔合”［2］反應(yīng)產(chǎn)物的分離。

圖1 HIRFL充氣譜儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic view of HIRFL gas－filled recoil separator

表1 充氣譜儀主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Technical parameters of gas－filled recoil separator

2 175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac實驗研究

為測試充氣譜儀的性能，選取截面已知的反應(yīng)175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac［15］進行實驗研究。利用能量177.1MeV、流強約0.5eμA的40Ar11＋束流轟擊質(zhì)量厚度為532μg／cm2的天然175Lu靶，產(chǎn)生的蒸發(fā)余核211，210Ac經(jīng)譜儀傳輸注入焦平面探測器中，并在其中衰變。焦平面探測器采用16分條的位置靈敏硅條探測器，靈敏面積為58mm×58mm，雙端讀出的硅條信號之和作為能量信號，并由電荷分除法得到位置信號。采用固定靶實驗，距靶后20cm處在10°、30°、45°分別安裝硅雪崩光電二極管（Si APD），通過測量束流的 Rutherford彈性散射來監(jiān)測流強。在整個譜儀裝置內(nèi)，充入氣壓約100Pa的He氣作為工作氣體。

圖2示出了實驗中獲得的典型α衰變信號能譜。從圖2可明顯看出，211，210Ac→207，206Fr→203，202At→199，198Bi衰變鏈產(chǎn)生了3個 α峰。由于余核是注入探測器表面后才進行衰變，所以，圖中除去本底之后的母核α峰計數(shù)只有注入探測器的蒸發(fā)余核計數(shù)的一半。207，206Fr的計數(shù)多于211，210Ac，是由于該束流能量下還存在其它反應(yīng)道的影響。203，202At的計數(shù)較少，是由于其半衰期較長，在記譜時間內(nèi)未完全衰變。

圖2 焦平面探測器衰變信號譜Fig.2 Typical decay energy spectrum in focal plane

為測量不同氣壓下余核電荷態(tài)分布和譜儀傳輸效率的變化，在充氣氣壓分別為75、84和102Pa時，設(shè)置偏轉(zhuǎn)磁場B在0.81～0.92T之間變化，測量反沖余核211，210Ac衰變的計數(shù)率，從而得到不同He氣氣壓下余核的電荷態(tài)分布（圖3）。對于動能一定的反沖余核，不同的偏轉(zhuǎn)磁場即對應(yīng)不同的電荷態(tài)，因此，圖3中橫軸取余核的電荷態(tài)。計算中考慮了靶厚對余核反沖能的影響，未考慮余核在He氣中的能損。圖3中實線、虛線和點劃線分別是對不同氣壓下余核電荷態(tài)分布的高斯擬合，通過擬合得到在75Pa下，余核平衡電荷態(tài)q＝6.48±0.23；84Pa氣壓下，＝6.52±0.26；102Pa下＝6.56±0.23。根據(jù)文獻［16］給出的計算平衡電荷態(tài)的經(jīng)驗公式＝3.3×10－7vZ1／3－1.18（其中：v為余核反沖速度，Z為原子序數(shù)），得到該速度下余核平衡電荷態(tài)為6.54，與實驗測量值符合較好，由此說明利用此公式來計算該核區(qū)其它核素在He氣中的平衡電荷態(tài)是可行的。另外可看出，隨著充氣氣壓的升高，電荷態(tài)分布的平衡值稍有變大，同時探測到余核α衰變的最大計數(shù)率變化不大，說明該范圍內(nèi)的氣壓變化對產(chǎn)物的傳輸效率影響較小。平衡值變大的主要原因是當(dāng)充氣氣壓升高時，余核與氣體分子的碰撞幾率增大，使得余核的電子被激發(fā)的幾率也增大，而處于激發(fā)態(tài)的電子更易從余核中脫離［9］，由此導(dǎo)致平衡電荷態(tài)變大。

圖3 余核電荷態(tài)分布Fig.3 Measured charge state distributions of evaporation residues in helium gas

傳輸效率是充氣譜儀是否可用于超重核實驗研究的重要依據(jù)，它的測量是本次實驗的主要目的之一。目前探測器的靈敏面積小于譜儀焦平面的設(shè)計值，所以，此次實驗只能給出傳輸效率的下限。從圖3可看到，在流強1eμA的條件下，探測到母核211，210Ac衰變產(chǎn)生的α粒子最大計數(shù)率約為300min－1，再考慮到探測器對衰變信號的探測效率50%，天然175Lu靶的豐度97%，得到目前實驗條件下充氣譜儀對175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸效率下限為14%。若增大探測器的面積，測量的傳輸效率還將進一步提高。芬蘭RITU譜儀用相同反應(yīng)道測試的傳輸效率是25%［14］，但這并不完全具有可比性，原因是兩個設(shè)備的結(jié)構(gòu)有一定差異，本譜儀Dh鐵偏轉(zhuǎn)角度大，更側(cè)重于抑制本底。

3 總結(jié)

本文主要介紹了在HIRFL上新運行的超重核充氣譜儀實驗裝置及其初步調(diào)試結(jié)果。利用反應(yīng)175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac測試了譜儀性能，得到兩方面結(jié)果：1）反沖余核211，210Ac在不同He氣氣壓中運動的電荷態(tài)分布，其平衡值與文獻［16］給出的經(jīng)驗公式計算值符合較好；2）通過估算得到充氣譜儀對該反應(yīng)道產(chǎn)物的傳輸效率下限為14%。

感謝中國科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器工作人員提供的穩(wěn)定40Ar束流。

［1]MOLLER P，NIX J R.Stability of heavy and superheavy elements ［J］.J Phys G，1994，20：1 681－1 747.

［2]RUTZ K，BENDER M，BURVENICH T，et al.Superheavy nuclei in self－consistent nuclear calculations［J］.Phys Rev C，1997，56：238－243.

［3]CWIOK S，DOBACZEWSKI J，HEENEN P H，et al.Shell structure of the superheavy elements［J］.Nucl Phys A，1996，611：211－246.

［4]OGANESSIAN Y T.Heaviest nuclei from Ca－48－induced reactions［J］.J Phys G，2007，34：165－242.

［5]OGANESSIAN Y T，ABDULLIN F，BAILEY P，et al.Synthesis of a new element with atomic number Z＝117［J］.Phys Rev Lett，2010，104：142502.

［6]HOFMANN S，MUNZENBERG G.The discovery of the heaviest elements［J］.Rev Mod Phys，2000，72：733－767.

［7]YEREMIN A V，BOGDANOV D D，CHEPIGIN V I，et al.The electrostatic separator VASSILISSA performance and experimental results［J］.Nucl Instrum Methods B，1997，126：329－333.

［8]WIELOCH A，SOSIN Z，PETER J，et al.Elements discrimination in the study of super－h(huán)eavy elements using an ionization chamber［J］.Nucl Instrum Methods A，2004，517：364－371.

［9]LEINO M.Gas－filled separators—An overview［J］.Nucl Instrum Methods B，2003，204：129－137.

［10］SUBOTIC K，OGANESSIAN Y T，UTYONKOV V K，et al.Evaporation residue collection efficiencies and position spectra of the Dubna gasfilled recoil separator［J］.Nucl Instrum Methods A，2002，481：71－80.

［11］MORITA K，YOSHIDA A，INAMURA T，et al.RIKEN isotope separator on－line GARIS／IGISOL ［J］.Nucl Instrum Methods B，1992，70：220－225.

［12］SEMCHENKOV A，BRUCHLE W，JAGER E，et al.The TransActinide Separator and Chemistry Apparatus （TASCA）at GSI—Optimization of ion－optical structures and magnet designs［J］.Nucl Instrum Methods B，2008，266：4 153－4 161.

［13］NINOV V，GREGORICH K，GINTER T，et al.Production and structure of the heaviest elements［J］.Nucl Phys A，2001，682：98－107.

［14］LEINO M，AYSTO J，ENQVIST T，et al.Gasfilled recoil separator for studies of heavy elements［J］.Nucl Instrum Methods B，1995，99：653－656.

［15］VERMEULEN D，CLERC H G，SAHM C C，et al.Cross sections for evaporation residue production near the N＝126shell closure［J］.Z Phys A，1984，318：157－169.

［16］OGANESSIAN Y T，LOBANOV Y V，POPEKO A G，et al.The average equilibrium charge states of heavy ions with Z＞60stripped in He and H2［J］.Z Phys D，1991，21：357－358.