17F+58Ni彈性散射和破裂反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

鄭壘，林承鍵，張高龍*，賈會(huì)明，張煥喬

(1.北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京100191;2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京102413)

隨著放射性核束裝置和探測(cè)技術(shù)的高速發(fā)展，核物理學(xué)家們的興趣從穩(wěn)定線附近的原子核轉(zhuǎn)移到了偏離穩(wěn)定線的原子核，這些原子核及其引起的核反應(yīng)成為當(dāng)前核物理領(lǐng)域里重要的研究?jī)?nèi)容之一.由于最外圍核子的弱束縛性核子束縛態(tài)和連續(xù)譜的耦合變得更加重要，這些原子核表現(xiàn)出了一些奇異的現(xiàn)象，如中子暈/皮結(jié)構(gòu)、舊幻數(shù)消失新幻數(shù)出現(xiàn)等［1-2］.

1985年，Tanihata等通過(guò)放射性核束裝置測(cè)量原子核相互作用截面時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了中子暈現(xiàn)象［3］.暈結(jié)構(gòu)的特征是最外圍核子占據(jù)較大的空間，其核半徑遠(yuǎn)大于具有相同核子數(shù)的穩(wěn)定核.外圍價(jià)核子的束縛能很小，通常＜1 MeV.也正是由于這樣的奇異性，由奇特核引起的核反應(yīng)與穩(wěn)定核引起的核反應(yīng)表現(xiàn)出了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，包括彈性散射(elastic scattering)、破裂(breakup)反應(yīng)及熔合(fusion)反應(yīng).通過(guò)研究這些奇特核引起的核反應(yīng)有助于研究奇特核的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)反應(yīng)機(jī)制［4］.

近幾十年來(lái)研究人員在奇異原子核在核反應(yīng)方面進(jìn)行了大量的研究工作，例如轉(zhuǎn)移反應(yīng)、熔合反應(yīng)和破裂反應(yīng)等.在熔合反應(yīng)中，耦合道效應(yīng)(非彈性散射、轉(zhuǎn)移和破裂)強(qiáng)烈地影響熔合截面，尤其是在亞壘能區(qū).對(duì)穩(wěn)定原子核，由于有高的破裂閾，因此破裂道的耦合對(duì)熔合截面影響小;對(duì)弱束縛原子核，例如6，7Li，9Be 和6He，11Be，8B等，它們的破裂閾小，會(huì)發(fā)生不同的熔合過(guò)程，有完全熔合和非完全熔合.對(duì)弱束縛原子核通常有2種效應(yīng)影響完全熔合截面:

1)密度的彌散分布降低勢(shì)壘的高度和改變勢(shì)壘曲率，導(dǎo)致熔合增強(qiáng).

2)破裂道的耦合效應(yīng)引起的強(qiáng)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，這方面沒(méi)有明確的說(shuō)法，需要進(jìn)一步研究.

因此對(duì)弱束縛原子核熔合截面是增強(qiáng)還是壓低，有不同的結(jié)論.和耦合道計(jì)算進(jìn)行比較，在沒(méi)有考慮破裂道時(shí)，展示完全熔合截面被壓低10%～30%，但從總?cè)酆辖孛嫔蠜](méi)有觀察到這種效應(yīng)，連續(xù)-分離耦合道(Continuum Discretized Coupled Channels，CDCC)計(jì)算展示完全熔合截面在壘上壓低，壘下增強(qiáng).

彈性散射是一個(gè)非常重要的反應(yīng)道，能夠探索原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)制.弱束縛原子核的彈性散射測(cè)量能夠研究它們的奇異結(jié)構(gòu).由于它們小的破裂閾，因此在相對(duì)的低能反應(yīng)中破裂道成為一個(gè)重要的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，耦合道分析需要考慮.對(duì)彈性散射數(shù)據(jù)的分析，一些重要的信息能被得到，例如總反應(yīng)截面.文獻(xiàn)［5-8］利用彈性散射探索入射炮彈的動(dòng)力學(xué)、靜態(tài)和幾何效應(yīng).

近幾年從實(shí)驗(yàn)和理論上，研究人員已盡力對(duì)弱束縛原子核的破裂道對(duì)于熔合截面的耦合效應(yīng)的強(qiáng)弱進(jìn)行了研究.然而對(duì)于滴線附近輕奇特核的研究，目前沒(méi)有足夠多的彈性散射數(shù)據(jù)，相關(guān)原子核結(jié)構(gòu)信息的準(zhǔn)確性和可靠性也有待進(jìn)一步的提高.破裂反應(yīng)也是奇特核核反應(yīng)中的一個(gè)重要反應(yīng)道，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能很好地為相關(guān)核反應(yīng)機(jī)制和核結(jié)構(gòu)提供有效的信息［5］.在一些熔合反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究中，奇特核的破裂效應(yīng)帶來(lái)不同的結(jié)果［6-7］.也有一些彈性散射實(shí)驗(yàn)來(lái)探究奇特核的動(dòng)力學(xué)、靜態(tài)效應(yīng)和幾何效應(yīng)［8-9］.但是，到目前為止，這些奇特核的系統(tǒng)性研究還沒(méi)有研究透徹，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)支持.

1 研究現(xiàn)狀

奇特核中，穩(wěn)定的有6，7Li和9Be，不穩(wěn)定的有6He、8B、7Be和17F.本文所選擇的17F是質(zhì)子滴線核，激發(fā)態(tài)有質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)，其最后一個(gè)質(zhì)子的束縛能只有601 keV;而且在破裂反應(yīng)閾以下只有一個(gè)激發(fā)態(tài)，激發(fā)能為495 keV.

近些年，國(guó)際上已開(kāi)展了以17F為彈核的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而靶核大部分集中在重核和輕核上［10-11］，如208Pb和12C，而中重靶核較少.Mazzocco等的實(shí)驗(yàn)［12］研究了17F+58Ni，其彈散數(shù)據(jù)表明17F的行為與同為不穩(wěn)定弱束縛核的6He和8B不同.但是由于數(shù)據(jù)過(guò)少，沒(méi)有明確的結(jié)論.同樣，相應(yīng)破裂效應(yīng)的研究也是集中在重靶核和輕靶核上.對(duì)重靶核，17F與之相互作用基本為庫(kù)侖作用;對(duì)輕核，17F與之相互作用基本為核相互作用.但對(duì)中重靶，兩種相互作用都有一定影響，相應(yīng)的破裂效應(yīng)如何沒(méi)有進(jìn)行探究.因此，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，除了能獲得庫(kù)侖位壘附近17F在中重靶核上的光學(xué)勢(shì)，還能進(jìn)一步知道核相互作用與庫(kù)侖相互作用兩者的影響程度.

對(duì)意大利的17F+58Ni實(shí)驗(yàn)只選擇了兩個(gè)能量點(diǎn)［12］，且能值非?？拷茈y給出17F+58Ni的走勢(shì)，不能判斷在壘下是增強(qiáng)還是壓低，同樣也不能清楚地給出約化函數(shù)的趨勢(shì)，因而在實(shí)驗(yàn)上需要進(jìn)一步驗(yàn)證.增加位壘附近能量點(diǎn)，利用約化函數(shù)和Wong公式［13］中的普適化函數(shù)F0(x)進(jìn)行比較，可以得到17F在中重靶上的動(dòng)態(tài)效應(yīng).Wong公式?jīng)]有考慮耦合道效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)函數(shù)［14］可用來(lái)間接研究動(dòng)力學(xué)效應(yīng).

對(duì)奇特核在庫(kù)侖位壘附近散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明［8］，探究這些核的反應(yīng)機(jī)制仍需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).包括17F在庫(kù)侖位壘以下的散射數(shù)據(jù).本文實(shí)驗(yàn)17F+58Ni選取庫(kù)侖位壘附近的4個(gè)能量點(diǎn)，最終的數(shù)據(jù)將完善17F在中重靶上的反應(yīng)函數(shù)趨勢(shì)，進(jìn)而能更清晰地看到17F與中重靶的反應(yīng)機(jī)制.

有關(guān)17F熔合反應(yīng)的破裂效應(yīng)，Rehm和Liang等進(jìn)行了17F+208Pb實(shí)驗(yàn)［15-16］，探究了17F與重靶相互作用時(shí)的熔合反應(yīng)和破裂效應(yīng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)子滴線核17F在重靶上的破裂效應(yīng)很小，對(duì)中重靶上沒(méi)有此方面的研究，因此對(duì)其在中重靶上的破裂效應(yīng)值得去研究.

在17F+58Ni的反應(yīng)中也會(huì)產(chǎn)生17F的破裂產(chǎn)物質(zhì)子和16O，對(duì)其進(jìn)行符合測(cè)量，可以直接得到破裂截面;利用CDCC理論來(lái)分析破裂反應(yīng)截面，可以得到17F與重靶和中重靶的反應(yīng)機(jī)制有何不同，可以了解質(zhì)子暈核的破裂反應(yīng)機(jī)制.因此在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)這些反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行很好的測(cè)量，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，設(shè)計(jì)和模擬了實(shí)驗(yàn)的探測(cè)系統(tǒng).

2 實(shí)驗(yàn)裝置和模擬

2.1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文所要研制的探測(cè)器系統(tǒng)是一套探測(cè)器陣列，一個(gè)探測(cè)器個(gè)體由電離室(Ionization Chamber，IC)、雙面硅條探測(cè)器(Double-sided Silicon Strip Detectors，DSSD)和大面積硅條探測(cè)器(Quarter Silicon Detector，QSD)組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 探測(cè)器個(gè)體的構(gòu)成Fig.1 Setup of an individual detector

探測(cè)器將鑒別17F與58Ni的反應(yīng)產(chǎn)物及其位置和能量信息，主要為彈性碰撞的17F和17F破裂產(chǎn)物質(zhì)子p和16O，采用粒子鑒別方法是ΔE-E望遠(yuǎn)鏡法，ΔE為粒子在探測(cè)器中能量損失，E為粒子的能量.其中，17F和16O是重核，容易被硅探測(cè)器全部阻止，這就要求在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用阻止本領(lǐng)更小的電離室來(lái)作為ΔE-E法中的ΔE探測(cè)器;質(zhì)子p穿透本領(lǐng)較強(qiáng)，在電離室中的能量損失極小，使用Si探測(cè)器同時(shí)作為ΔE探測(cè)器和E探測(cè)器.所以，探測(cè)器個(gè)體中的3個(gè)部分構(gòu)成了兩套ΔE-E系統(tǒng):電離室與DSSD組成第1套ΔE-E系統(tǒng)，用于鑒別17F和16O并給出其能量及空間信息;DSSD和QSD組成第2套ΔE-E系統(tǒng)，用于鑒別破裂產(chǎn)物中的質(zhì)子p并給出它的能量及空間信息.

2.2 預(yù)模擬

在正式設(shè)計(jì)電離室之前，首先利用Geant4來(lái)預(yù)模擬整體布局方案的幾何效率，從而確定探測(cè)器陣列中的探測(cè)器數(shù)量和空間布局.Geant4是由歐洲核子研究中心CERN和日本高能物理研究所KEK利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)改進(jìn)當(dāng)時(shí)基于FORTRAN開(kāi)發(fā)的模擬程序Geant3，現(xiàn)已成為一種靈活方便的工具，用戶可以以面向?qū)ο蟮睦^承與多態(tài)性的方式設(shè)定探測(cè)器幾何參數(shù)、物理過(guò)程、相互作用，以及動(dòng)態(tài)地加載其他程序庫(kù)等.

Geant4是基于C++的蒙特卡羅程序.一個(gè)Geant4程序通常由6個(gè)模塊組成，分別為探測(cè)器構(gòu)建(detector construction)、物理過(guò)程(physics list)、發(fā)射源(primary generator action)、Run 操作(Run action)、Event操作(Event action)、Stepping操作(Stepping action)，并通過(guò)一個(gè)主程序管理.用戶在detector construction中描述探測(cè)器組成、幾何及材料;在physics list中編寫可能涉及的粒子和相關(guān)物理過(guò)程;在primary generator action描述發(fā)射源的參數(shù)，包括幾何、方向(分布)、能量(分布);在 Run action、Event action和 Stepping action編寫蒙特卡羅模擬中Run、Event和Stepping過(guò)程的相關(guān)操作.

在Geant4模擬中評(píng)估了3個(gè)方案，分別為使用6個(gè)、8個(gè)和10個(gè)探測(cè)器個(gè)體的探測(cè)器系統(tǒng)，其相應(yīng)參數(shù)如表1所示，并分別描述在各自的detector construction中.這3個(gè)方案都為預(yù)模擬，由于外框和內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)未知，在第2.3節(jié)再模擬中會(huì)對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行修正.

表1中:距靶中心為電離室前端距靶中心的距離;單塊覆蓋為距電離室前端50 mm的單塊DSSD所覆蓋的角度;束流空間為探測(cè)器陣列前后預(yù)留給束流通過(guò)的寬度;靶死區(qū)角為所采用的靶較厚，探測(cè)與靶平面夾角過(guò)小的粒子無(wú)意義，故留出空間不設(shè)置任何探測(cè)器.模擬的幾何效率(被探測(cè)器記錄的事件數(shù)/事件總數(shù))如表1后最后兩列所示.17F為探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)17F的幾何效率，即進(jìn)入探測(cè)器系統(tǒng)的17F數(shù)量/粒子源發(fā)射出的17F數(shù)量;16O＆p為探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)16O＆p的幾何效率，即16O和p同時(shí)進(jìn)入探測(cè)器系統(tǒng)的事件數(shù)/粒子源發(fā)射的17F數(shù)量(17F全部破裂成16O＆p).

表1 探測(cè)器系統(tǒng)模擬參數(shù)和模擬結(jié)果Table 1 Simulation parameters and results of detector system

粒子源(primary generator action)都為φ20 mm的圓形17F面源，能量70±0.5 MeV，向4π方向均勻發(fā)射.在Stepping操作中編寫代碼判斷粒子是否進(jìn)入DSSD，若某step前端在DSSD內(nèi)且后端在電離室內(nèi)則判定該17F被探測(cè)器記錄;如果所有step都不符合判定條件，則認(rèn)定該17F沒(méi)被探測(cè)器記錄.根據(jù)17F的動(dòng)量和能量，計(jì)算出在質(zhì)心系下4π方向隨機(jī)破裂的質(zhì)子p和16O的運(yùn)動(dòng)方向并判定是否同時(shí)被探測(cè)器記錄.判斷是否被探測(cè)到的代碼實(shí)現(xiàn)與17F相同，如果某step前端在DSSD內(nèi)且后端在電離室內(nèi)則判定 p或16O被探測(cè)器記錄.

由表1中的模擬的幾何效率數(shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，8個(gè)探測(cè)器的方案較合理.較第1個(gè)方案增加了2個(gè)探測(cè)器，覆蓋角度的增加彌補(bǔ)了空間距離拉大帶來(lái)的計(jì)數(shù)損失，總體效率增加;而10個(gè)探測(cè)器的方案則是3個(gè)方案中表現(xiàn)最差的方案，無(wú)論是17F的探測(cè)幾何效率還是16O＆p的探測(cè)幾何效率，都是3個(gè)方案中最低的.

據(jù)表1所示結(jié)果，決定將探測(cè)器個(gè)體設(shè)置為8塊.在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于需要將電離室外框厚度、連接處的密封性、預(yù)留給電子學(xué)和氣體的空間等問(wèn)題考慮在內(nèi)，必須修改一些參數(shù)以滿足實(shí)際上可行的要求:

距靶中心由原來(lái)的60.0 mm修改為92.0 mm，則相應(yīng)單個(gè)探測(cè)器個(gè)體所占角度為33.2°，內(nèi)部單塊DSSD所占角度為19.4°.由電離室有效氣體的50.0mm厚度、前端的3.0mm壁厚及內(nèi)部PCB板的1.0 mm厚度可知，DSSD最終距靶中心的垂直距離為146.0 mm.

束流空間由原來(lái)的27.7 mm修改為19.9 mm，該距離為束流兩側(cè)探測(cè)器個(gè)體間的最近距離.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中束流的寬度可能超過(guò)19.9 mm，因此需要在合適位置設(shè)置狹縫，以防粒子接觸到探測(cè)器而引起的損傷和信號(hào)干擾.

考慮到靈活性，將靶死區(qū)角與探測(cè)器個(gè)體所占角度進(jìn)行相同設(shè)置.扣除束流空間所占角后，將剩余角度10等分，其中8塊區(qū)域放置探測(cè)器，另外2塊作為靶死區(qū)，如圖2所示.

圖2 探測(cè)器布局Fig.2 Layout of detectors

圖2的設(shè)計(jì)方案空間布局緊湊，陣列探測(cè)效率高，并同時(shí)具有通用性.在實(shí)驗(yàn)操作中，可根據(jù)實(shí)際需求將探測(cè)器在10個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行任意“移動(dòng)”、“移除”、“更換”操作.

電離室的設(shè)計(jì)如圖3所示.外框橫截面為梯形，短邊為 55.4 mm，長(zhǎng)邊為 112.0 mm，厚為91.0 mm，高為115.0 mm.前端開(kāi)有20.0 mm×20.0 mm的粒子入射窗，周圍設(shè)有2.0 mm寬的密封O圈及相應(yīng)固定螺孔.背板邊沿設(shè)有M4.0 mm的螺孔，用于與前面的外框固定;3.0 mm密封的O圈位于外框后端(未在圖3中顯示).內(nèi)部緊貼PCB，前后距離為51.0 mm(PCB板厚為1.0 mm和電離室有效空間厚為50.0 mm)，內(nèi)壁制有等位環(huán).陽(yáng)柵陰板的極板幾何尺寸相同，與PCB相切.之后放置DSSD和QSD，背板的矩形孔為DSSD和QSD的信號(hào)輸出.

圖3 單個(gè)探測(cè)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)Fig.3 Real setup of an individual detector

2.3 再模擬

對(duì)設(shè)計(jì)好的探測(cè)器系統(tǒng)用Geant4進(jìn)行了再模擬，包括預(yù)模擬中的17F探測(cè)幾何效率、16O＆p探測(cè)幾何效率以及三者在不同出射能量下在電離室、DSSD、QSD中的能量沉積.電離室中的氣體為C3H8、氣壓為0.3倍大氣壓;粒子出射能量從20～80 MeV，間隔為 10 MeV.發(fā)射源設(shè)置為φ20 mm的圓形面源，向4π方向均勻發(fā)射.

1)幾何效率.

30000個(gè)17F向空間4π均勻發(fā)射，出射位置為圓形面源內(nèi)的任意位置，被探測(cè)器系統(tǒng)(如圖2所示的8個(gè)探測(cè)器)記錄的事件數(shù)為4 983，其效率為16.6% ±0.2%.

因?yàn)?7F的破裂反應(yīng)發(fā)生在與靶核相互作用時(shí)，p和16O的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)與破裂前對(duì)應(yīng)的17F相同.若上述30000個(gè)17F全部破裂成質(zhì)子p和16O，由于p和16O的運(yùn)動(dòng)往相反方向偏離，有可能出現(xiàn)只有p或16O被探測(cè)到或都沒(méi)探測(cè)到的結(jié)果.據(jù)Geant4模擬結(jié)果，p和16O同時(shí)被記錄的事件數(shù)為1406.故該探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)p和16O符合探測(cè)效率為4.7%±0.1%.

2)能量沉積.

當(dāng)進(jìn)入探測(cè)器時(shí)，粒子會(huì)依次被電離室、DSSD和QSD探測(cè)到.能量在20～80 MeV之間的17F和16O不足以穿透DSSD，因而其一部分能量沉積在電離室，剩余能量則沉積在DSSD.17F和16O在電離室中的能量沉積占總能量的百分比如表2所示.

表2 17F和16O的在電離室中的能量沉積百分比Table 2 Percentages of energy deposition of 17F and16O in an ionization chamber

剩余能量全部沉積在DSSD中，其結(jié)果未列在表2中.該表為0.3倍大氣壓下C3H8中的結(jié)果，可為實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作提供參考以調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)來(lái)達(dá)到合適的實(shí)驗(yàn)要求.

質(zhì)子p的穿透能力較17F和16O強(qiáng)，能量在20～80 MeV之間的質(zhì)子p能夠依次穿過(guò)電離室、DSSD，并最后的剩余能量沉積在 QSD.20～80 MeV的質(zhì)子p在電離室和DSSD中的能量沉積占總能量的百分比如表3所示.因剩余能量全部沉積在QSD中，其結(jié)果未列在表3中.

表3 質(zhì)子p在電離室、DSSD的能量沉積百分比Table 3 Percentages of energy deposition of protons in an ionization chamber and a DSSD

3 結(jié)論

根據(jù)研究的方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)探測(cè)系統(tǒng)利用Geant4進(jìn)行了模擬，獲得了散射的17F分布以及破裂產(chǎn)物質(zhì)子和16O的分布.按照模擬的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，得到實(shí)驗(yàn)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)16O和質(zhì)子的符合效率為4.7% ±0.1%，這為實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供了很好的依據(jù).按照模擬的結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了詳實(shí)的參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)的成功開(kāi)展和順利完成奠定了很好的基礎(chǔ).

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