原子核電荷的改變反應(yīng)截面測量和電荷半徑分析

李丹

（新疆水利水電學(xué)校,新疆 烏魯木齊 830013）

當(dāng)前,在核技術(shù)應(yīng)用的過程中,其發(fā)展?fàn)顩r不僅影響著世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步,甚至已經(jīng)發(fā)展成為了世界各國發(fā)展中尤其關(guān)注的重要內(nèi)容。因此,目前各國對原子核的相關(guān)研究重視程度很高。要想更好的認(rèn)識原子核,必須要把握住反應(yīng)探索和結(jié)構(gòu)問題這一個重要途徑。隨著當(dāng)前物理試驗的設(shè)備不斷更新和探究的測量方式與手段不斷進(jìn)步的前提下,在對原子核有充分和完整的認(rèn)識之后,人們將研究的重點放在了對原子核電荷半徑的測量上。在對原子核的電荷半徑進(jìn)行探究的時候,為了更好的掌握原子核電荷半徑的相關(guān)內(nèi)容,主要從原子核電荷半徑的公式方面進(jìn)行相關(guān)的探討[1]。

1 原子核電荷半徑的概述

一般情況下,要想準(zhǔn)確的表示出原子核的大小,核半徑是最為常見的,當(dāng)然也有其他的表示方式,如通過基本粒子、核子、不同質(zhì)量的原子核等與等待被進(jìn)一步研究原子核的碰撞來表示。由于相互作用模式的不同,核半徑的許多定義都得到了推廣。近年來,關(guān)于原子核電荷半徑的實驗越來越多,這使得原子核電荷半徑的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)積累的越來越多。根據(jù)相關(guān)實驗的研究結(jié)果可知,原子核電荷半徑受到很多因素的影響,加上需要考慮的參數(shù)越來越多,需要用更加準(zhǔn)確的公式來對其進(jìn)行更加準(zhǔn)確的描述。要想了解電荷改變反應(yīng)截面,就要了解暈核。本身研究暈核的實驗難度并不高,但是其起到了很好的推動作用,為與此相關(guān)的研究也為了解核清區(qū)的核結(jié)構(gòu)提供了有價值的信息,從而引出對放射性核結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究。

2 相互作用截面和電荷改變反應(yīng)截面的工作原理

在高精度狀態(tài)下,對原子核的相互作用截面進(jìn)行測量,不僅有助于研究與之相對應(yīng)的物質(zhì)分布半徑,對于研究核物理這個研究方向也有重要的幫助。根據(jù)對相互作用截面和電荷改變反應(yīng)截面的相關(guān)研究的了解可知,目前已經(jīng)將研究的重點放在了探究輕核區(qū)的核結(jié)構(gòu)和放射性的核結(jié)構(gòu)提供了寶貴的資料。之所以對相互作用截面進(jìn)行研究,是因為其和原子核電荷改變界面測量原理有一定的相似性,即兩者都屬于積分截面當(dāng)中的一種,兩者之間的差值能夠形成另外一個截面。研究電荷改變反應(yīng)截面測量的一個重要原因,就是為了對宇宙射線在銀河系中的傳播時次級核產(chǎn)生的過程進(jìn)行很好的解釋。為了對電荷改變反應(yīng)截面有更加完整和系統(tǒng)的理解,不僅要掌握理論層面的知識,還要借助實驗進(jìn)行深入的探索。

對原子核的電荷改變反應(yīng)截面理論層面知識的介紹,主要是對其原理的分析,具體如圖1 所示。為了保證達(dá)到理論層面的核反應(yīng)粒子數(shù)目小于入射粒子數(shù)目20%的要求,不僅將反應(yīng)靶后探測器應(yīng)用其中,還充分發(fā)揮了儀器本身的優(yōu)勢,從而為該實驗提供了足夠的條件。同時,在實際測量原子核電荷改變反應(yīng)截面的時候,還應(yīng)用了透射法進(jìn)行測量,能夠起到有效的降低實驗難度過高的作用[3]。通過透射法對相互作用截面的原理進(jìn)行測量,不僅使測量的精度得到了有效的保證,還使束流的利用效率大大提升。

圖1 原子核電荷改變界面測量原理圖

原子核電荷變化反應(yīng)截面的測量中實驗產(chǎn)物中的電荷量Z 的狀況,如圖2 所示[4]?；趯ο嚓P(guān)內(nèi)容的研究和探討中的相互作用狀況,由此看來,電荷變化反應(yīng)截面能夠反映質(zhì)子密度分布信息。

圖2 Kr 和Sm 同位鏈的核電荷半徑（其中,圓心表示實驗值）

3 基于HIRFL 裝置的電荷改變反應(yīng)

通過當(dāng)前對電荷改變反應(yīng)的研究可知,我國對放射性束流線和相關(guān)加速器裝置的研究已經(jīng)取得了相應(yīng)的成果。現(xiàn)階段,世界范圍對能夠提供300 MeV/nucleon 能區(qū)的放射性束流線的研究占比相當(dāng)少,但是在不斷的努力下,蘭州重離子加速器研究裝置的RIBLL2 束流線是其中之一,如圖3 所示。

圖3 電荷改變反應(yīng)截面測量裝置

針對RIBLL2 的狀況,對相對論能區(qū)分電荷改變反應(yīng)截面測量的相關(guān)工作進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。由于該裝置的電荷改變反應(yīng)實驗具有一定的復(fù)雜性,需要耗費大量的時間,根據(jù)相關(guān)觀察可知,后續(xù)的實驗時間內(nèi)研究的重點主要放在了對飛行時間探測器、多采樣氣體電離室以及位置靈敏探測器等進(jìn)行了持續(xù)不斷的研制和測試上。最終得出了結(jié)論,即在系統(tǒng)優(yōu)化匹配塑料閃爍體與光電倍增管間之后,達(dá)到了提高閃爍光子的收集與傳輸, 并且成功研發(fā)了小尺寸的時間拾取探測器, 得到的最優(yōu)本征時間分辨本領(lǐng)為5.1 ps(σ),達(dá)到了國際同類探測器的最高時間分辨的高度,并且研制的50 mm×50 mm×3 mm時間拾取探測器本征時間分辨達(dá)到了27 ps(σ),甚至發(fā)展成為了實驗平臺用的飛行時間終點探測器[6]。在探測器得到優(yōu)化的基礎(chǔ)上,我國相關(guān)的物理研究所團(tuán)隊對次級束粒子鑒別系統(tǒng)進(jìn)行了搭建,其主要目的是為了推動電荷改變反應(yīng)截面測量平臺的建設(shè)的順利進(jìn)行。

雖然為了便于對電荷改變反應(yīng)截面測量進(jìn)行研究,構(gòu)建了相關(guān)的平臺,但是該平臺在當(dāng)前的應(yīng)用十分有限,截止到目前為止該平臺僅僅開展了在300 MeV/nucleon能區(qū)開展了兩次實驗。由于受到各種客觀因素的影響,使得束流條件不能夠滿足實際的實驗需求,這樣一來遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的中子核還和理想統(tǒng)計之間的差距仍然得不到彌補,導(dǎo)致在實際的研究當(dāng)中仍然不夠完善和科學(xué)。從圖4匯總的60 個次級束核素中可以看出,其中30 個左右的核素處于統(tǒng)計較好的狀態(tài),并且有可能獲取這些核素的電荷半徑。從圖中原子核的分布狀況來看,其主要圍繞著β 穩(wěn)定線附近分布,并且在N=Z 線的右邊,這些數(shù)據(jù)使Z＜20 的原子核在C 靶上的電荷改變反應(yīng)截面數(shù)據(jù)得到了豐富,能夠為300 MeV/nucleon 能區(qū)電荷改變反應(yīng)截面的系統(tǒng)演化狀況奠定重要的基礎(chǔ)[7]。

圖4 實驗當(dāng)中鑒別核素的匯總情況

根據(jù)圖5 可知,在總結(jié)了部分穩(wěn)定原子核（12-14C、14-15N和17-18O）的電荷改變反應(yīng)截面數(shù)據(jù)的情況下,通過將其和已知電荷半徑的對比可知,數(shù)據(jù)之間具有相當(dāng)高的關(guān)聯(lián)性。但是,在除15N 和17O 上表現(xiàn)出了和其他原子核具有較大差異的特點,使得系統(tǒng)評估提取電荷半徑方法的不確定性增加。從當(dāng)下的研究現(xiàn)狀上來看,要想推動研究取得更深一步的進(jìn)展,就要在實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量方面下功夫。

圖5 匯總之后的部分穩(wěn)定原子核（12-14C、14-15N 和17-18O）的電荷改變反應(yīng)截面趨勢圖

4 借助公式對原子核電荷的電荷半徑進(jìn)行深入的分析

對原子核電荷半徑的分析主要借助的是經(jīng)驗公式,其中包括單參數(shù)公式、兩參數(shù)公式、三參數(shù)公式、四參數(shù)公式和五參數(shù)公式。

根據(jù)單參數(shù)公式RC=ROA1/3可知,得出的相關(guān)參數(shù)不是很準(zhǔn)確,其中存在著比較大的缺陷。但是單參數(shù)公式具備線性相關(guān)性的優(yōu)點,使其能夠?qū)?shù)據(jù)的分布情況展現(xiàn)出來。另外一個比較準(zhǔn)確的Z1/3律的單參數(shù)公式RC=ROZ1/3,由于其σ 值和之前的式子相比較而言存在明顯減小的情況,這說明當(dāng)前的式子更加準(zhǔn)確,也意味著原子核電荷半徑中的Z1/3律和A1/3律相比較而言,Z1/3律更加和真實值貼近。

對原子核電荷半徑進(jìn)行精準(zhǔn)的計算存在一定的難度,也是當(dāng)前進(jìn)行研究的一項難題。

5 研究的未來方向和趨勢

依據(jù)束流能量、反應(yīng)靶和待研究的原子核質(zhì)量數(shù)等都能夠?qū)﹄姾筛淖兎磻?yīng)截面數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,在這種狀況下要想增強對核反應(yīng)截面系統(tǒng)性的理解,對相關(guān)數(shù)據(jù)的測量是相當(dāng)有必要的。但是,從整體的試驗研究過程當(dāng)中來看,其中還存在很多比較顯著的問題,如統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較匱乏,這在不穩(wěn)定原子核的數(shù)據(jù)中表現(xiàn)的格外明顯。與此同時,針對不同實驗組對同一系統(tǒng)測量結(jié)果存在很大差異的狀況,需要在短時間內(nèi)找到獨立性強且精準(zhǔn)度高的測量數(shù)據(jù)作為支撐?；谶@種狀況,HIRFL 為其提供了一個全新和系統(tǒng)性的電荷改變反應(yīng)截面測量平臺。在深入探究和分析新實驗終端建設(shè)和新型實驗靶的基礎(chǔ)上,致力于不穩(wěn)定原子核反應(yīng)截面方面的研究,希望能夠做出一系列有實用性的突破。目前,試驗方面的研究方向也已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化,將在建HIAF 項目當(dāng)中的高精度截面測量作為研究奇特原子核電荷半徑的方向。在研究計劃當(dāng)中,以求探索電荷改變反應(yīng)截面和反應(yīng)截面的同時測量以及H 靶上的截面測量等方面的重要內(nèi)容[8]?；诋?dāng)下對原子核、核能和核技術(shù)的研究可知,在未來發(fā)展趨勢當(dāng)中,面向國內(nèi)下一代放射性核束裝置的研究有可能會成為研究的新內(nèi)容。

6 結(jié)論

通過對大量研究的分析和探討可知,遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的原子和穩(wěn)定的原子核之間可能在奇特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在不同,需要通過大量的物理實驗對其進(jìn)行綜合性的分析,并且在理論上進(jìn)行相關(guān)模型的解析。隨著對電荷改變反應(yīng)和原子核電荷半徑精確度的不斷研究,目前已經(jīng)形成了原子核中質(zhì)子分布的可行性探索方案,為研究中子皮厚度和暈核以及精準(zhǔn)的原子核電荷半徑等提供了重要的支持。