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为了验证活性靶时间投影室进行放射性束流实验的可行性和有效性,我们在前期开展了一些熔合反应截面测试实验(16N+12C、12C+12C),主要通过对熔合蒸发剩余核的测量,得出相应的熔合反应截面。
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2018年,兰州放射性束流线(RIBLL1)首次利用液氮冷却气体靶产生了低能放射性束流。在调束期间,我们使用240路信号读出TPC开展了简单的活性靶测试实验,实验设置如图3所示。加速器提供的主束是8 MeV/u的15N,和氘气靶反应产生16N次级束,经由RIBLL1束线,将84 MeV的16N7+传输至实验终端,穿过13 μm厚的Kapton膜,最后注入到TPC靶室内,TPC工作气体为异丁烷。在TPC前,束流方向上放置一块多丝正比室(MWPC),通过MWPC、飞行时间(TOF)探测器以及GEM读出信号组成的逻辑电路,为GET系统提供触发信号。实验中漂移电场强度设置为43 V/cm,工作气体气压设置为
$ 10^4 $ Pa,此时电子漂移速度为1.4 cm/μs(通过Magboltz[13]模拟计算得到)。束流粒子入射到TPC内部,随入射深度的增加连续损失能量,单位长度里损失的能量逐渐增加,当有核反应发生时,粒子的能损曲线就会发生变化。因此通过监测粒子沿束流方向的能量损失,即可初步判断是否有核反应发生。图4展示了发生在探测器内的一个典型的核反应事件,图(a)、(b)分别是该事件在信号读出板的点火分布以及沿束流入射方向的能损变化。
在熔合反应截面测量中,常常伴随着弹性散射的发生,通过总能损曲线的变化可以将反应事件筛选出来,并确定发生反应的位置。对于弹性散射,入射粒子在发生反应后能量降低,单位长度的能量损失变大,同时反冲靶核粒子也会不断损失能量,因此沿束流入射方向总能损会有明显的上升;对于熔合反应,反应产物的能量和A、Z值均发生了较大的变化,同样导致了总能损的明显增大,如图4(b)所示。此类总能损曲线出现明显上升的事件,即可判定为熔合反应或弹性散射,而总能损曲线的突变点(即相应信号读出块的中心位置)给出了反应点的位置。通过入射粒子在气体中的射程,可以确定出入射粒子在TPC不同位置发生反应时的能量。
如何准确地将熔合事件与弹性散射事件区分出来,对熔合反应截面的确定是非常重要的。然而,仅从能损曲线变化上很难对二者进行有效的分辨。我们根据两类反应不同的特点,结合TPC给出的粒子信息,可以对反应类型做出鉴别。对于16N+12C这类近对称反应体系,弹性散射的出射粒子之间一般具有较大夹角,粒子射程较长,在读出平面上可以被较明显地识别出来,如图5(a)所示;熔合反应剩余核集中在前角区,能损很大,如图5(b)所示,而蒸发的轻粒子即使被捕捉到,能损也很小。但是存在一些弹性散射事件,在读出平面上点火位置分布与熔合反应事件相似,TPC可以通过反应产物不同的漂移时间对其进行准确的辨识,如图5(c)、(d)所示,减小了反应事件的误判率。有关于筛选方法的具体细节见文献[14]。
本次实验的主要探测对象是熔合反应剩余核,通过对熔合事件的筛选,即可直接得到相应能量下的熔合反应产额,进而得到对应的反应截面。图6给出了本次实验的测量结果,其中黑色线为通过PACE4[15]计算得到的理论线。由于束流时间有限,每个反应能量点只有少量几个熔合反应事件发生,统计不足导致了实验数据点存在很大的统计误差,但是可以看到总体上符合理论趋势线。本次实验也对利用活性靶时间投影室进行熔合反应测量方法的可行性和有效性做出了探索,在实验技术和数据分析方法方面为后续研究工作打下了基础。
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为了更加精确地重建整个反应的三维径迹,对反应事件做出更加有效的筛选,我们进一步研制了1 024路信号读出TPC,并开展了12C+12C熔合反应测量实验。该探测器整体结构与上述240路信号读出TPC相同,信号读出板在灵敏面积不变的情况下(200 mm
$ \times $ 100 mm),分割为1 024个(32$ \times $ 32)矩形读出单元。本次实验在兰州重离子加速器研究装置(HIRFL)上进行。扇聚焦回旋加速器(SFC)产生流强约200 enA、总能量为58.9 MeV的12C4+束流。为了模拟强度较弱的放射性束流,将主束直接轰击金靶,通过散射方法将束流强度降至3 000 pps以下,实验设置如图7所示。散射之后的12C束流经10 μm厚的Mylar膜(直径10 mm)入射到TPC靶室内部,和探测器靶室内的异丁烷气体发生反应。在TPC后端安置一块方硅探测器,束流穿透气体最后会完全沉积在硅探测器上。因为束流会产生大量的数据,通过硅探测器可以有效地反符合掉未发生反应的束流事件,极大地减小了数据的存储量,同时方硅探测器也可以反过来刻度束流能量等信息。我们通过调节Al降能片(31 μm)和TPC工作气压,对该反应库仑位垒附近不同能区的熔合截面进行了测量,如表1所列。
Al降能片 TPC气压/Pa 测量能区$E_{\rm{cm}}$/MeV 使用 5 000 $9.1\thicksim 14.5$ 不使用 10 600 $15.7\thicksim 22.5$ 同样地,使用3.1节所讲述的反应筛选方法和反应类型鉴别方法,可以初步地将熔合反应事件筛选出来。图8是一个双
$ \alpha $ 出射道熔合反应事件,可以看到反应产物被准确地挑选出来,整个反应事件的三维径迹也得到了很好的重建。为了尽量排除弹性散射事件对熔合反应截面的干扰,需要对两种反应进行更加精确的筛选。图9(a)是反应产物总电荷沉积和相应射程的填充谱,所有反应事件呈两条带状分布。通过熔合反应剩余核高能损短射程、弹性散射反应产物较低能损长射程的特点,可以判断出二者对应的带状位置。对于短射程低能损部分,两类反应事件不能被很好地区分,将纵轴改为布拉格能损曲线最高点附近的单位长度能损,如图9(b)所示,熔合反应和弹性散射事件得到了更好的区分。通过对熔合反应事件的筛选,熔合反应截面也随之确定。本次实验的部分结果如图10所示,该结果与已有的实验数据[16]符合较好。
Active Target Time Projection Chamber (TPC) for Nuclear Astrophysics Experiments
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC47
- Received Date: 2020-01-13
- Rev Recd Date: 2020-04-23
- Available Online: 2020-09-30
- Publish Date: 2020-09-20
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Key words:
- fusion reaction /
- active target /
- TPC
Abstract: The fusion reaction of neutron-rich nuclei occurring in the neutron star crust is considered to be the important heating process in neutron stars and X-ray super burst. Limited by the intensity of radioactive beams and the complexity of reaction mechanism, experimental data so far are rare and can not constrain relevant theoretical model effectively. The time projection chamber (TPC) based on the active target technique works with the detection gas as the target, which can record all the tracks including the incident particle and charged particles from the reaction occurring in the detection gas. TPC has approximately 4
Citation: | Zhichao ZHANG, Ningtao ZHANG, Chengui LU, Tianlei PU, Jinlong ZHANG, Han CHEN, Limin DUAN, Binshui GAO, Kuoang LI, Yutian LI, Yi QIAN, Longhui RU, Xiaodong TANG, Xinyu WANG, Xiaodong XU, Hongyun ZHAO, Ziwei CAI, Binfei JI, Qite LI, Jinyan XU, Weiping LIN. Active Target Time Projection Chamber (TPC) for Nuclear Astrophysics Experiments[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 636-642. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC47 |