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在CSR等时性质量测量实验[21-22]中,放射性核束由初级束离子的弹核碎裂反应产生。初级束离子由离子源产生,经过扇聚焦回旋加速器SFC加速到4~8 MeV/u后注入到主环CSRm中[23]。在主环中累积到~108离子后,加速到所需能量,一般为400~480 MeV/u,之后快引出轰击放射性束流线RIBLL2入口处的Be靶,弹核碎裂反应后产生多种核素共存的混合束流(鸡尾酒束),经RIBLL2的选择、传输,注入到实验环CSRe并储存其中。利用环内的飞行时间(TOF)探测器,测量离子的循环周期,从中即可提取原子核的质量。储存环有一定的动量接收度,CSRe约为0.2%。对同种离子,在储存环中的回旋周期随速度的变化可用下式描述[18-19]:
$$ \frac{\delta T}{T} = \left(\frac{\gamma^2}{\gamma^2_ {\rm{t}}}-1\right)\frac{\delta v}{v}, $$ (1) 式中:
$ \gamma $ 为离子的洛伦兹因子;$ \gamma_ {\rm{t}} $ 为储存环的转变能系数,决定了储存环中离子运行轨道长度和离子磁刚度的关系。为了保证质量分辨能力和测量精度,我们让目标核满足等时性条件,即$ \gamma $ =$ \gamma_ {\rm{t}} $ ,这时离子运行轨道长度的变化正好抵消了速度的变化,其回旋周期不依赖于速度分散。储存在CSRe内的目标核满足$ \gamma $ =$ \gamma_ {\rm{t}} $ ,速度$ v $ 即被确定,则目标核的磁刚度也随即确定下来,为$$ \ B\rho = \frac{mv \gamma}{q}, $$ (2) 式中
$ {m}/{q} $ 为目标核的质量电荷比。在质量测量实验过程中,RIBLL2和CSRe的中心轨道磁刚度按照目标核设置之后一般保持不变。针对不同目标核设置等时性模式时,可以改变CSRe光学设置的另一个重要参数$ \gamma $ =$ \gamma_ {\rm{t}} $ 。为此,近物所的研究人员通过深入分析离子回旋周期在储存过程中随时间的变化规律,实现在线监测$ \gamma_ {\rm{t}} $ [24],并可以在一定范围内进行微调优化[25]。在等时性质量测量实验中,放射性核束的成分非常重要,首先要保证目标核的产额尽可能高,这样才能得到足够的统计。在此前提下,储存在CSRe中的离子个数要适中:如果储存离子数太少,会影响磁场修正的效果[26];离子数太多,会影响探测器的性能[27]。理想情况下,需有10~20个离子同时储存在CSRe中。
离子在CSRe中的回旋周期受储存环磁场强度的影响,因此高精度测量需要磁场的长期高稳定性。但在实际情况下,CSRe受外界环境影响,磁场强度有~10–5量级的晃动,引起环内离子的循环周期发生相应改变,严重影响目标核质量测量的精度。针对该问题,我们先后发展了多种数据处理方法。在早期实验中,利用不同原子核间的相对回旋周期代替绝对数值,收到了较好的效果[28],但是因为需要产额较高的参考核,该实验仅有70%的数据得到利用[28-29]。在后面的实验中,又发展了逐次注入修正的方法[26],很大程度上修正了磁场变化对回旋周期的影响,使实验结果的精度满足了研究前沿物理的要求。这些方法要求每次注入都有多个离子同时储存在CSRe中,才能实现逐次注入修正回旋周期。
目前原子核质量测量的前沿是测量那些远离稳定线的原子核。随着目标核越来越远离稳定线,他们及邻近核素的产生截面也越来越低。特别是在丰中子核区,如果针对目标核的最优化设置放射性束流线,则每次储存到实验环的离子数目太少,无法针对逐次注入进行修正。例如,在德国GSI开展的一次等时性质量测量实验中[30],每次注入能够储存到环中的离子数目平均值小于1,只能使用合并多次注入的方法修正磁场影响。如果储存环的磁场在不同次注入时有较大变化,会严重影响测量结果的精度。针对该问题,本文提出新方法,在不明显降低目标核产额的前提下,提高单次注入离子数,并进行模拟验证其可行性。
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CSR质量测量实验的目标核由弹核碎裂反应产生,弹核为中重原子核,加速到所需的能量后,轰击放置于RIBLL2入口处的Be靶。在碰撞过程中,弹核的核子被“擦除”一部分后,形成一个新的碎片,这个碎片处于较高激发态,一般通过蒸发核子退激。由于反应中几乎没有能量沉积,碎片的速度近似于弹核的速度,即:
$$ {{v}}_ {\rm{frag}} \approx{{v}}_ {\rm{proj}}, $$ (3) 其中:
$ {{v}}_ {\rm{frag}} $ 和$ {{v}}_ {\rm{proj}} $ 分别为碎片和弹核的速度。通过这一方式产生的放射性束流一般具有很小的动量分散,被“擦除”的核子数目越少,其动量分散越小[31-32]。碎裂反应可以产生质子和中子数目比弹核少的所有核素。利用“冷碎裂”反应可以产生非常靠近主束离子的放射性核素[33]。反应中仅擦除极少核子,产生的碎片处于较低的激发态,不足以进一步蒸发核子,因此可以产生极丰中子重核。近年来利用该类型的反应在新核素寻找[11-12, 34]、衰变性质测量[35-36]以及质量测量[14-16]方面发挥了重要作用。GSI实验已经测量了238U, 208Pb等作为主束产生丰中子重核的截面[11-12],为我们的质量测量实验提供了重要参考。
在CSR质量测量实验中,RIBLL2和CSRe的中心轨道磁刚度
$ B\rho $ 预先设定后一般不再改变,但可以通过调节主束的能量来改变放射性束流的成分。主环CSRm是一个同步加速器,可以方便地改变主束的能量。当靶厚固定时,主束能量增大,则产生碎片的速度变大;因为RIBLL2固定了$ B\rho $ 选择,通过RIBLL2并储存在CSRe中的放射性核素整体趋向更小的质量电荷比$ {m}/{q} $ ,即更偏向缺中子核素,主束能量减小时,得到的是质量电荷比更大的丰中子核素。在CSR质量测量实验中,我们可以通过调整靶厚、改变RIBLL2的设置和主束能量,改变放射性核束的产额、成分以满足实验要求。下面以曾开展的一次实验作为实例进行讨论。
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在CSR开展的质量测量实验主要集中于缺中子核区,仅有一次丰中子核素质量测量实验。这次实验利用86Kr作为主束,测量目标核主要有53,54Sc等[37-38]。实验中CSRe的
$ \gamma_ {\rm{t}} $ 设置为1.395,为了兼顾53,54Sc同时处于等时性窗口,RIBLL2和CSRe的中心轨道磁刚度$B \rho $ 设置为7.675 5 Tm。两个目标核的产生截面有较大差异,质荷比更大的丰中子的54Sc产生截面比53Sc小约一个数量级,因此实验更倾向有利于54Sc产生的设置。为了产生尽可能多的目标核,需要优化碎裂反应靶的厚度。当靶子太薄时,反应率太低,产额不够高;当靶子太厚时,次级产物的动量分散变得太大,远远超过束流线和储存环的接收度,反而降低有效产额[39]。本次实验目标核距离主束较远,其产生经历了较剧烈的核反应,有较大的动量分散[32]。通过LISE++模拟[40]计算,目标核的产额对靶厚变化不特别敏感。
我们首先确定产生靶的厚度。利用LISE++进行模拟,固定RIBLL2的设置,分别选择10和15 mm厚度的Be靶,扫描主束能量来寻找产生54Sc和53Sc的最佳主束能量值。计算结果显示,在最优能量下,10 mm靶的54Sc产额比15 mm高7%。但在最优能量下,每次注入能够储存的离子总数平均值还不到1,无法修正磁场,不能满足实验要求。提高主束能量,会有利于较缺中子核素的传输,他们有更高的产额,从而会提高次级束离子总数目。使用10 mm靶,目标核产额受主束能量的影响较大,主束能量比最佳值升高10 MeV/u,则54Sc产额已降低20%。而使用15 mm靶,目标核产额随主束能量变化较小,主束能量升高10 MeV/u,54Sc产额仅降低8%。这显示了在CSR实验中使用较厚的产生靶,主束能量调节有较大的灵活性。使用15 mm靶产生的总离子数也较多,即参考核产额较高。考虑到以上因素,实验中选用了15 mm靶。
54Sc产额最高的主束能量下,次级束离子总数太小,实验通过提高主束能量增加总离子数。在实验过程中扫描了几个能量点,最终确定主束能量为461.25 MeV/u。在该设置下,每次注入CSRe能够储存~4个离子,54Sc产额相比较最优能量降低了11%。如果使用10 mm靶,为了得到相同的54Sc产额,估算得到CSRe平均每次储存的离子数目仅有1.6个,这进一步显示了靶厚的选择合理性。
本次实验达到了预期目标[37-38]。总结经验有:主束能量可以根据实验情况在一定范围内调节;产生靶应该选择相对厚一些,这样设置可以更加灵活。这次实验中,目标核距离主束较远,产额对靶厚变化不特别敏感。当目标核非常靠近主束离子时,产额受靶厚影响会更加明显。
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摘要: 丰中子重核区有大量原子核质量未知,迫切需要实验测量。我们建议,利用兰州重离子加速器研究装置HIRFL-CSR上的等时性质谱术,高精度测量204Pt等丰中子重核的质量。CSR质量测量实验中,在目标核产额尽可能高的前提下,需要每次注入都有多个离子同时储存到实验环CSRe中,才能针对逐次注入修正磁场晃动的影响,得到高精度测量结果。但在丰中子核区,当目标核产生截面非常低时,每次注入能储存到环中的离子数目太少。为了解决这个问题,我们提出了一种“混合厚度靶”的方法,在不明显改变目标核产额的情况下,显著增加同时储存在CSRe中的离子数,满足实验要求。模拟计算表明,在CSRe测量丰中子重核质量是可行的,并推荐了实验的设置。Abstract: There are a large number of nuclides with unknown mass in heavy neutron-rich region, which urgently need to be measured. We propose to measure the mass of 204Pt and other heavy neutron-rich nuclides by using the isochronous mass spectrometry (IMS) at the research facility HIRFL-CSR. In the IMS experiments, the nuclides of interest are produced by using projectile fragmentation and stored in the storage ring CSRe. The revolution times of the stored ions are measured, from which the nuclear masses are extracted. To obtain high-precision results from the IMS experiments, it is required that several ions are stored in the Experimental Cooling Storage Ring(CSRe) simultaneously to correct for the effect of the magnetic-field instability. However, the production cross sections of the heavy neutron-rich nuclides are very small, so that the number of ions that can be stored in the CSRe is too low to fulfill the requirement. To solve this problem, it is proposed to use a production target with two different thicknesses at different areas. In this way, a sufficiently large number of ions can be produced and stored in the CSRe at the same time without reducing the yield of the target nucleus significantly. The simulations show that it is feasible to measure the masses of heavy neutron-rich nuclides at CSRe. The experimental settings are recommended.
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