利用15N(d,p)16N反應(yīng)研究16F低能級質(zhì)子寬度

李鑫悅，郭 冰，李志宏，李云居，蘇 俊，龐丹陽，顏勝權(quán)，樊啟文，劉建成，甘 林，韓治宇，李二濤，連 鋼，諶陽平，王友寶，曾 晟，柳衛(wèi)平

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.北京師范大學(xué)，北京 100875；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191； 4.深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060)

16F為非束縛核，所有能級均不穩(wěn)定。16F一般通過放出1個(gè)質(zhì)子的方式衰變到15O。16F基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的能級均位于1 MeV以下，這4個(gè)能級的自旋、宇稱和能量目前均已確定[1]。對于16F的觀測，目前已有通過14N(3He,n)16F[2-4]、16O(p,n)16F[5-9]、16O(3He,t)16F[10-13]和19F(3He,6He)16F[11]等反應(yīng)進(jìn)行的研究。對于這4個(gè)能級的質(zhì)子寬度，目前已有使用15O放射性束流測量15O+p彈性共振散射并利用R矩陣計(jì)算進(jìn)行分析的研究[14-15]。由于反應(yīng)道中涉及不穩(wěn)定核素，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅給出上限或存在較大的誤差?；阽R像核電荷對稱性，可使用穩(wěn)定核反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)角分布結(jié)果研究不穩(wěn)定核素的性質(zhì)，得到誤差更小的結(jié)果。16F的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)分別對應(yīng)于鏡像核16N的4個(gè)能級。按該方法，文獻(xiàn)[16]使用15N(7Li,6Li)16N反應(yīng)進(jìn)行研究，并給出了較精確的結(jié)果。對16F這一重要的滴線附近的奇特原子核，有必要通過其他轉(zhuǎn)移反應(yīng)體系進(jìn)行全新測量，提供進(jìn)一步的交叉檢驗(yàn)。

本工作進(jìn)行15N(d,p)16N實(shí)驗(yàn)角分布的精確測量，擬得出16N基態(tài)和前3個(gè)激發(fā)態(tài)的中子譜因子，并由此導(dǎo)出16F對應(yīng)能級的質(zhì)子寬度。

1 實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)測量在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用蒸鍍在碳襯底上的15N豐度為99.35%的C3N3(15NH2)3三聚氰胺靶，同時(shí)用天然豐度的三聚氰胺靶進(jìn)行本底測量。靶中14N厚度使用能量為11.8 MeV的d束的彈散與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17-18]對比進(jìn)行刻度，結(jié)果如圖1所示，15N厚度則按比例推算，靶厚誤差為8%。實(shí)驗(yàn)使用放置于靶后的法拉第筒進(jìn)行束流統(tǒng)計(jì)。對于出射粒子，使用Q3D高精度磁譜儀進(jìn)行分離，并利用放置在Q3D磁譜儀焦平面位置的雙面硅條探測器陣列進(jìn)行探測，實(shí)驗(yàn)設(shè)置見文獻(xiàn)[19-21]。(d,p)轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物的焦平面位置譜如圖2所示。

圖1 11.8 MeV的d+15N彈性散射角分布Fig.1 Angular distribution of d+15N elastic scattering with incident energy of 11.8 MeV

圖2 (d,p)反應(yīng)36°焦平面位置譜Fig.2 Focal-plane position spectrum at 36° from (d, p) reaction

實(shí)驗(yàn)中用15 MeV的d束測量15N(d,p)16N反應(yīng)布居16N基態(tài)和前3個(gè)激發(fā)態(tài)的角分布。在某些角度被14N(d,p)15N反應(yīng)出射粒子干擾的能級使用14N靶上的測量結(jié)果進(jìn)行本底扣除。

2 16N低激發(fā)態(tài)的中子譜因子

16N中子譜因子由下式抽取。

(1)

3 16F低激發(fā)態(tài)的質(zhì)子寬度

(2)

(3)

圖3 15N(d,p)16N反應(yīng)布居16N基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的角分布Fig.3 Angular distribution of 15N(d, p)16N reaction to ground state and low-lying excited states in 16N

表1 DWBA和ADWA計(jì)算中使用的光學(xué)勢參數(shù)Table 1 Optical potential parameters used in DWBA and ADWA calculations

S16F=S16N

(4)

圖4示出了16F的單粒子寬度、譜因子和質(zhì)子寬度隨束縛態(tài)光學(xué)勢半徑R(R=r0A1/3)的變化。相對于單粒子寬度和譜因子，16F基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的質(zhì)子寬度隨R的變化更平穩(wěn)。R在2.6～3.6 fm變化范圍內(nèi)，獲得的質(zhì)子寬度取平均，得到4個(gè)態(tài)的質(zhì)子寬度分別為(29.9±4.1) keV、(108±13) keV、(5.04±0.48) keV和(14.5±1.4) keV，列于表2。誤差中除了譜因子的誤差外，還包括了3%的幾何參數(shù)的誤差。

表3比較了本工作給出的最新質(zhì)子寬度和其他研究結(jié)果。可看出，基態(tài)和第3激發(fā)態(tài)的質(zhì)子寬度除與文獻(xiàn)[16]的結(jié)果有一定差距外，與其他結(jié)果均保持一致。第1激發(fā)態(tài)質(zhì)子寬度高出部分研究給出的上限范圍[1,2,15-16]，但與其他幾項(xiàng)結(jié)果[4,13-14]相符。第2激發(fā)態(tài)質(zhì)子寬度低于部分結(jié)果的下限[1-2]，高于文獻(xiàn)[16]的上限，與另外的結(jié)果[4,13-15]一致。本工作與文獻(xiàn)[16]均由鏡像核方法推出質(zhì)子寬度，主要差距來自在15N靶上不同的轉(zhuǎn)移體系測量出譜因子的差異，在束縛態(tài)幾何參數(shù)相同的情況下，本工作中得出的4個(gè)能級的譜因子較文獻(xiàn)[16]的結(jié)果都偏大。相對于文獻(xiàn)[16]，用15N(d,p)16N推出的質(zhì)子寬度與p(15O,p)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[14-15]更為一致。

圖4 16F的單粒子寬度、譜因子和質(zhì)子寬度隨半徑的變化Fig.4 Dependence of single-particle width, spectroscopic factor and proton width of 16F on radius

表2 16F基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的譜因子、單粒子寬度和質(zhì)子寬度Table 2 Spectroscopic factor, single-particle width and proton width of 16F ground state and low-lying excited states

表3 本工作和以往各研究的16F質(zhì)子寬度Table 3 Present and previous results of 16F proton width

4 總結(jié)

在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器上進(jìn)行了15N(d,p)16N布居16N基態(tài)和低激發(fā)態(tài)角分布的精確測量，并給出了16N這些能級的中子譜因子。由于鏡像核電荷對稱性，16F對應(yīng)能級的質(zhì)子譜因子與16N的這些中子譜因子相等，由此導(dǎo)出了16F低能級的質(zhì)子寬度。變化束縛態(tài)幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果表明，質(zhì)子寬度對幾何參數(shù)的變化相對于譜因子和單粒子寬度更穩(wěn)定。本文質(zhì)子寬度結(jié)果與多家實(shí)驗(yàn)研究給出的結(jié)果保持一致，少部分存在一定的分歧，有待進(jìn)一步的研究。本工作通過(d,p)反應(yīng)研究了16F的質(zhì)子寬度，為該數(shù)據(jù)提供了一個(gè)重要的交叉檢驗(yàn)。