日本理化所電子與放射性核素散射裝置

王 碩

（山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院 山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點實驗室 威海 264209）

日本理化所電子與放射性核素散射裝置

王 碩

（山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院 山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點實驗室 威海 264209）

為了精確測量放射性核素原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，日本理化學(xué)研究所研制出一種新穎的制作放射性核素靶的方法，使電子與放射性核素散射實驗成為可能。該方法主要利用電子儲存環(huán)中的“離子束縛”現(xiàn)象，使得從外部離子源注入的放射性核素離子被束縛在電子存儲環(huán)中，形成放射性核素靶并進而與電子束發(fā)生散射。電子與放射性核素散射裝置于2009年在日本理化學(xué)研究所開始建造，其主要包括三個部分：(1) 電子束產(chǎn)生裝置；(2) 電子存儲環(huán)；(3) 放射性核素生成與分離裝置。目前除放射性核素生成裝置仍然在建設(shè)中，其余部分已于2010年建造完成，并利用穩(wěn)定原子核133Cs和132Xe對其性能進行了測試。結(jié)果表明，當電子束流強度約為200 mA時，散射實驗的亮度可達約1027cm-2.s-1。

放射性核素，電子散射，電子儲存環(huán)，離子束縛

與靶原子核的相互作用很弱，測量過程中不會對靶原子核造成影響；(3) 理論上對電磁相互作用的描述已經(jīng)非常完備，通過擬合實驗數(shù)據(jù)與理論計算可以準確地得到原子核的結(jié)構(gòu)信息。從20世紀50年代開始，電子散射方法廣泛應(yīng)用于對穩(wěn)定原子核結(jié)構(gòu)的研究中，為當代核理論模型的建立提供了堅實的基礎(chǔ)。隨著加速器技術(shù)以及粒子探測器技術(shù)的發(fā)展，核物理的研究已經(jīng)拓展到了短壽命的放射性核素區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)了一些具有奇特核結(jié)構(gòu)性質(zhì)的原子核，例如中子暈和中子皮等現(xiàn)象[1-2]。受放射性核素產(chǎn)額、壽命以及制靶技術(shù)等因素的限制，電子散射方法一直未能應(yīng)用于對放射性核素的研究中。為了實現(xiàn)電子與放射性核素的散射實驗，日本理化學(xué)研究所研制出一種新穎的制作放射性核素靶的方法，稱之為SCRIT (Self-Confining Radioactive isotope Ion Target)[3-4]。

1 原理及方法

到電子儲存環(huán)中的放射性核素離子限定在某一區(qū)域內(nèi)，從而在電子儲存環(huán)中形成“放射性核素靶”，電子束流將與這些被束縛的靶離子發(fā)生散射(圖1)。由于靶核具有一定的壽命，所以束縛一段時間后（取決于靶核的壽命），這些離子將被引出并再次注入新的靶離子，用以保證放射性核素靶的純度。

圖1 利用SCRIT方法所形成的放射性核素靶與電子散射示意圖Fig.1 Sketch map about SCRIT method.

2 可行性研發(fā)實驗

SCRIT方法主要基于電子儲存環(huán)中的“離子俘獲”現(xiàn)象[5-7]，儲存環(huán)中被電離的殘余氣體離子會束縛在電子束流中，并與電子發(fā)生相互作用，降低束流的強度與壽命等指標，影響電子儲存環(huán)的性能。SCRIT裝置利用“離子俘獲”現(xiàn)象，把從外部注入

從2004年開始，在日本京都大學(xué)的KSR (Kaken Storage Ring)電子儲存環(huán)上對SCRIT方法進行了可行性研發(fā)實驗(圖2)。可行性研發(fā)實驗的主要目的包括：(1) 驗證“離子俘獲”現(xiàn)象是否可以把從外部注入的離子束縛在電子束中，形成放射性核素靶；(2) 如果方法可行，被束縛住離子的數(shù)目為多少或散射實驗可以獲得的最高亮度為多少；(3)影響散射實驗亮度的相關(guān)物理量。研發(fā)實驗中，使用穩(wěn)定的原子核133Cs作為靶核，電子束流的能量為120 MeV，平均電流強度為75 mA，相應(yīng)的束流壽命約為100 s。對于散射電子的探測系統(tǒng)主要由一個漂移室探測器和三個量能器組成(圖3)。漂移室探測器主要負責(zé)測量散射電子的軌跡，用以獲得有關(guān)散射電子角分布等方面的信息。量能器主要用于測量散射電子的能量，每個量能器都是由7個六邊形無機晶體探測器組合而成的探測器陣列。三個量能器所覆蓋的散射角度為25°-70°。

圖2 日本京都大學(xué)的KSR電子儲存環(huán)以及SCRIT裝置Fig.2 KSR electron storage ring and SCRIT device in Kyoto University.

圖3 散射電子探測系統(tǒng)示意圖Fig.3 Detection system for scattered electrons.

實驗中對彈性散射電子角分布進行了測量，并與理論計算散射截面作了比較，當電流強度約在70mA時，散射實驗的亮度可以達到約1025cm-2.s-1，被束縛住的Cs離子的數(shù)目約為1.7×106。實驗結(jié)果表明，SCRIT方法可以用來實現(xiàn)電子與放射性核素散射實驗[8-11]。實驗中還對小角度(＜1°)的散射電子進行了測量，并得到了散射實驗亮度隨電子束流強度的變化關(guān)系[10]，如圖4所示。從圖4中可以明顯地看到，亮度隨電流強度而增高。由于實驗條件的限制，KSR電子儲存環(huán)所能達到的最大電流強度約為75 mA，為了獲得更高的亮度來實現(xiàn)電子與放射性核素散射實驗，一臺高性能的電子儲存環(huán)是必要的。

圖4 散射實驗中亮度隨電子束流強度的變化關(guān)系Fig.4 Luminosity changed with beam current in the scattering experiment.

3 電子與放射性核素散射裝置

基于上述可行性研發(fā)實驗的結(jié)論，一臺利用SCRIT方法的大型電子與放射性核素散射裝置于2009年在日本理化學(xué)研究所開始建造[12]，裝置示意圖如圖5所示。

圖5 測試實驗中SCRIT電子與放射性核素散射裝置示意圖Fig.5 Sketch map about SCRIT electron scattering facility during the testing experiment.

該裝置主要由三部分組成：(1) 電子加速器(Racetrack Microtron, RTM)；(2) 電子儲存環(huán)(SR2: SCRIT-equipped RIKEN Storage Ring)；(3) 放射性核素生成與分離系統(tǒng)(SCRIT RI beam injector system, SRIS)。SCRIT裝置安裝在電子儲存環(huán)一側(cè)的直線部分。電子束流在電子加速器中被加速至150 MeV，然后引出并注入電子儲存環(huán)中。當儲存環(huán)中的電流強度達到實驗所需流強后，電子加速器產(chǎn)生的電子束流將被引入至放射性核素生成裝置，用來轟擊鈾靶(238UCx)來產(chǎn)生放射性核素，并利用偏轉(zhuǎn)磁鐵對所生成的放射性核素進行粒子鑒別。所要研究的放射性核素離子（能量約為50 keV）將被傳輸至RFQ冷卻聚束器中(RFQ cooler buncher)，然后放射性核素離子將以脈沖的形式注入到SCRIT裝置中。目前除放射性核素生成部分外，其余部分都已于2010年建造完成。并于2011-2012年，利用穩(wěn)定的原子核133Cs和132Xe對整套裝置的性能進行了評估。測試實驗中，電子束流的能量設(shè)為150MeV，最大束流強度為200 mA，相應(yīng)的壽命約為120 min。

4 結(jié)語

圖6顯示為133Cs作為靶核時測試實驗所得到的結(jié)果[13]。圖6(a)和(c)為所測量到的彈性散射電子（在量能器中的能損Ee＞100 MeV）與靶核發(fā)生散射的位置分布；圖6(b)和(d)為測量到的從靶區(qū)內(nèi)散射出的散射電子的能譜。圖6中縱坐標為測量到的散射電子的產(chǎn)額。圖6(a)中實心點為有Cs離子注入時所測量到的散射電子的產(chǎn)額，空心點為無Cs離子注入時的本底測量，圖中虛線為靶區(qū)所在位置，其設(shè)計長度為50 cm。從圖6(a)可以明顯地看出，當有Cs離子注入時只有靶區(qū)內(nèi)的計數(shù)有明顯的增加，靶區(qū)外的計數(shù)基本保持不變，說明注入的Cs離子全部束縛在了指定的靶區(qū)內(nèi)，并與電子束發(fā)生了彈性散射。圖6(c)中空心點為扣除本底后的實驗數(shù)據(jù)，實線為模擬計算結(jié)果，模擬計算中假設(shè)被束縛的Cs離子在靶區(qū)內(nèi)呈均勻分布，并考慮了電子與靶核的彈性散射截面。實驗結(jié)果與模擬計算基本符合，表明實驗中被束縛的Cs離子在靶區(qū)內(nèi)是均勻分布的。圖6(b)中實心點和空心點分別為有無Cs離子注入時從靶區(qū)內(nèi)散射出的電子能譜。圖6(d)中空心點為扣除本底后的實驗數(shù)據(jù)，實線為模擬計算能量為150 MeV的電子在量能器中的能損分布。結(jié)合圖6(c)和(d)的結(jié)果，表明所測量到的從靶區(qū)內(nèi)散射出的高能電子絕大部分來源于電子與靶核的彈性散射。

圖6 散射電子的位置分布與能譜Fig.6 Vertex distributions and energy spectra about the scattered electrons.

通過比較所測量到的彈性散射電子的角分布以及理論計算出的彈性散射截面，推測出當電子束流強度為200 mA時，散射實驗的亮度可以達到約1027cm-2.s-1，已經(jīng)達到了通過彈性散射測量電荷分布實驗所需亮度[8-9]。放射性核素生成裝置建成后，如果相同數(shù)目的放射性核素離子被束縛在SCRIT裝置中并與電子發(fā)生彈性散射，那么將實現(xiàn)對放射性核素電荷分布的測量。為了精確測量并區(qū)分彈性散射電子與非彈性散射電子，一臺動量分辨率為Δp/p≈0.1%的磁譜儀已經(jīng)建造完成，計劃于2014年進行測試實驗，如圖7所示。目前SCRIT電子與放射性核素裝置正在升級改造中，預(yù)計將于2015年進行電子與放射性核素散射的測試實驗，放射性核素132Sn將作為第一個目標核來進行研究。

圖7 建造中的磁譜儀Fig.7 Magnetic spectrometer with the movable platform.

致謝感謝日本理化學(xué)研究所SCRIT研究小組以及日本東北大學(xué)ELPH研究中心對本次研究工作的幫助。

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CLCTL99

Electron scattering facility for short-lived nuclei at RIKEN

WANG Shuo

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Astronomy and Solar-Terrestrial Environment, School of Space Science and Physics, Shandong University, Weihai 264209, China)

Background: It has already been confirmed that the SCRIT (Self-Confining Radioactive Isotope Ion Target) method can be used for electron scattering experiment for short-lived nuclei. An electron scattering facility consisting of a microtron type electron accelerator (RTM: Racetrack Microtron), an electron storage ring (SR2: SCRIT-equipped RIKEN Storage Ring) and an ISOL (Isotope Separator Online) involving an RI generator, had already been constructed in 2010 at RIKEN Nishina Center to realize electron scattering experiments for short-lived nuclei with SCRIT technique. Purpose: Ions of stable nuclei,133Cs and132Xe, were used as targets to evaluate the performance of this facility. Methods: In the testing experiment, the energy of electron beam was set to 150 MeV. The stored electron beam current was ～200 mA with lifetime ～200 min. To determine the achievable luminosity, elastically scattered electrons were measured by a detection system, which consists of a drift chamber, plastic scintillation detectors and two calorimeters. The trajectories and energies of scattered electrons were determined by the drift chamber and two calorimeters. The detector system covers the scattering angle from 25° to 50°. Results: From the vertex distribution and energy loss in the calorimeters of scattered electrons, the number of elastic scattered electrons from target ions was obtained and the luminosity was determined to be nearly 1027cm-2.s-1at beam current 200 mA, which is the required luminosity to determine the charge density distribution of the target nucleus. Conclusion: Except for the RI beam generator, the other parts of SCRIT electron scattering facility have been already constructed. The first experiment for this facility will be elastic electron scattering for short-lived Sn isotopes including a doubly magic nucleus132Sn in 2015.

RI nuclei, Electron scattering, Electron storage ring, Ion trapping

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100523原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是核物理領(lǐng)域研究的重要問題之一。電子散射方法是研究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)最有效的方法，其優(yōu)點在于：(1) 電子是點粒子；(2)

山東大學(xué)青年培養(yǎng)項目(No.2014ZQXM021)資助

王碩，男，1981年出生，2010年于北京大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域為放射性核素物理

2014-04-28，

2014-06-09