金孫均，王友寶，蘇 俊，顏勝權(quán)，李云居，郭 冰，李志宏，曾 晟，連 鋼，白希祥，柳衛(wèi)平，山口英齊，久保野茂，胡 鈞,4，D. Kahl，鄭孝順，文俊永，寺西高，王宏偉，石山博信，巖佐直人，小松原哲郎，李二濤，張 健

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413；3.東京大學(xué) 核研究中心，埼玉 351-0198，日本；4.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；5.中央大學(xué) 物理系，首爾 156-756，韓國；6.九州大學(xué) 物理系，福岡 812-8581，日本；7.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；8.高能加速器研究機(jī)構(gòu)，茨城 305-0801，日本；9.東北大學(xué) 物理系，宮城 980-8578，日本；10.筑波大學(xué) 物理系，茨城 305-8571，日本；11.深圳大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳 518060)

22Na是重要的宇宙γ射線發(fā)射體，在γ射線天文學(xué)上受到廣泛關(guān)注。一些天體模型預(yù)言在新星及超新星爆發(fā)階段會(huì)合成大量的22Na。因?yàn)?2Na半衰期較短(2.6 a)，其衰變所產(chǎn)生的1.275 MeV伽馬射線可用作甄別新星和超新星爆發(fā)的靈敏探針[1]，這也有力推動(dòng)了星載伽馬射線探測(cè)裝置的建設(shè)與發(fā)射升空。如美國航空航天局(NASA)的康普頓伽馬射線天文臺(tái)(CGRO)[2]于1991年由亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)送入地球軌道；而歐洲航天局(ESA)也于2002年成功發(fā)射了國際伽馬射線天文觀測(cè)站(INTEGRAL)[3]。

22Na還與核天體物理著名的22Ne豐度異常有關(guān)。1972年，Black[4]發(fā)現(xiàn)在一類低密度的碳粒隕石中，22Ne的豐度較地球上的約高2個(gè)量級(jí)，很明顯是由22Na衰變而來的。22Na經(jīng)NeNa-MgAl反應(yīng)鏈與另一重要的宇宙γ射線發(fā)射體26Al相連。INTEGRAL實(shí)驗(yàn)在銀河系發(fā)現(xiàn)了約2.8個(gè)太陽質(zhì)量的26Al，并由此推斷銀河系中核芯塌縮型超新星爆發(fā)的頻度約為每世紀(jì)1.9次[5]。對(duì)于22Na，CGRO實(shí)驗(yàn)曾對(duì)銀盤上的5個(gè)新星事件進(jìn)行過觀測(cè)，受制于當(dāng)時(shí)所用的探測(cè)器能量分辨，未能清晰鑒別出22Na衰變所產(chǎn)生的1.275 MeV伽馬射線，只得到了1個(gè)新星噴發(fā)介質(zhì)中22Na豐度的上限值[6]。

22Na(p,γ)23Mg、22Na(α,p)25Mg(p,γ)26Al以及22Na(α,γ)26Al等反應(yīng)都對(duì)消滅22Na起重要作用，后兩個(gè)甚至可能將22Na轉(zhuǎn)化成26Al[7]。雖有實(shí)驗(yàn)室用注入靶的方法測(cè)量了22Na(p,γ)23Mg反應(yīng)的共振強(qiáng)度[8]，但對(duì)于22Na+α反應(yīng)體系，尚未有類似的實(shí)驗(yàn)測(cè)量見報(bào)導(dǎo)。為研究與22Na+α反應(yīng)體系相關(guān)的26Al共振態(tài)，本文在日本東京大學(xué)的CRIB次級(jí)束裝置上產(chǎn)生高品質(zhì)的22Na次級(jí)束，并利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)厚靶實(shí)驗(yàn)方法對(duì)22Na+α共振散射開展初步研究。

1 22Na次級(jí)束的產(chǎn)生

圖1 CRIB次級(jí)束裝置的平面圖

實(shí)驗(yàn)是在日本東京大學(xué)核研究中心(CNS)的低能放射性離子束分離器(CRIB)上開展的。CRIB裝置位于日本理化學(xué)研究所的放射性離子束工廠(RIBF)的E7大廳。CRIB是一在線分離型低能次級(jí)束裝置[9]，其平面圖如圖1所示。CRIB大致可分為4個(gè)部分：1) F0處的初級(jí)反應(yīng)靶室，其中的氣體靶長度為80 mm，前后窗均用厚度為2.5 μm的Havar膜密封。為提高次級(jí)束的產(chǎn)額，用液氮將氣體靶冷卻至90 K，使氣體的有效厚度提高3～4倍[10]。2) 一套滿足雙消色差、等時(shí)性的次級(jí)束分離傳輸系統(tǒng)(包含Q1、M1、D1、Q2、D2、M2、Q3)。3) 速度選擇器(包含Q4、Q5、E×B、Q6、Q7)。4) F3測(cè)量靶室，用于開展次級(jí)束物理實(shí)驗(yàn)。Q、M、D、F分別代表四極聚焦透鏡、多極修正磁鐵、二級(jí)偏轉(zhuǎn)磁鐵、聚焦平面。此外，F(xiàn)1、F2和F3聚焦平面處均裝有狹縫儀，可用于次級(jí)束的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

用1H(22Ne，22Na)n電荷交換反應(yīng)產(chǎn)生22Na，22Ne7+初級(jí)束的能量為6.0 AMeV。F0氣體靶中充入53.33 kPa的1H2氣體，用液氮將其冷卻到約90 K，由此得到1H2的質(zhì)量厚度約為1.15 mg/cm2。從F0氣體靶中出射的次級(jí)粒子除22Na外，還有其他雜質(zhì)成分。二級(jí)偏轉(zhuǎn)磁鐵的作用是按磁剛度(Bρ)選擇帶電粒子，即：

(1)

其中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ為粒子偏轉(zhuǎn)半徑；m為粒子的質(zhì)量；v為速度；q為電荷態(tài)。F1處設(shè)有狹縫，其縫寬Δx與動(dòng)量接收度Δp/p滿足如下關(guān)系：

Δx/(Δp/p)=1.6 cm/%

(2)

縫寬Δx與動(dòng)量接收度Δp/p之比又稱為焦平面的動(dòng)量色散。

2 22Na次級(jí)束的純化

2.1 F2聚焦平面

沿束流的方向，在F2聚焦平面前后分別放置一塊平行板雪崩計(jì)數(shù)器(PPAC)和一塊方硅探測(cè)器(SSD)。PPAC可給出次級(jí)束的束斑大小及位置分布，也可提供定時(shí)信號(hào)[11]。在計(jì)算能損時(shí)，PPAC可等效為厚度為13.5 μm的Mylar膜；SSD的厚度約為1 500 μm，用于測(cè)量次級(jí)束的能量。調(diào)束時(shí)先根據(jù)計(jì)算的22Na能量對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行初步設(shè)置，然后進(jìn)行逐步優(yōu)化。在磁剛度Bρ為0.543 7 T·m的條件下，得到的次級(jí)束中各成分的出射能量及穿過PPAC后的能量列于表1。

F2聚焦平面處的粒子鑒別譜如圖2所示，其中，RF射頻信號(hào)由AVF加速器提供，周期約60 ns，寬度約2 ns，與PPAC提供的門信號(hào)組成飛行時(shí)間。從圖2中可清晰地看到22Na11+、22Ne10+和22Ne9+等雜質(zhì)成分。

表1 Bρ=0.543 7 T·m條件下22Na次級(jí)束中各成分的能量

圖2 F2聚焦平面處的粒子鑒別譜

2.2 F3聚焦平面

在F2聚焦平面得到純度最好的22Na次級(jí)束后，將F2處的PPAC和SSD移開，以78.3 MeV的22Na11+為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置速度選擇器的電、磁場(chǎng)，對(duì)22Na次級(jí)束作進(jìn)一步純化。速度選擇器的工作原理為：

F=qE-qv×B

(3)

其中：F為離子在速度選擇器中受到的合力；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；v和B分別為速率和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)速度選擇器的工作高壓設(shè)為±50 kV時(shí)，下游F3靶室中反應(yīng)靶處的速度色散為：

Δx/(Δv/v)=2.1 mm/%

(4)

其中：v為22Na11+的速度；Δv為各成分與22Na11+速度之差。按式(4)計(jì)算±50 kV高壓條件下，22Na次級(jí)束中各成分經(jīng)速度選擇器后的水平偏移量，結(jié)果列于表2。

經(jīng)速度選擇器提純后，F(xiàn)3聚焦平面處22Na次級(jí)束的粒子鑒別譜如圖3所示。次級(jí)束的X方向位置信息由F3靶室內(nèi)的PPAC給出。從圖3可清楚看到，次級(jí)束中除22Na11+外，僅剩下極少量的22Ne10+，這樣就得到能量為(78.3±1.0) MeV、純度為93%、流強(qiáng)達(dá)2.5×105s-1的22Na次級(jí)束。

表2 22Na次級(jí)束中各成分在F3聚焦平面的水平偏移量

圖3 F3聚焦平面處的粒子鑒別譜

3 22Na+α共振散射

26Al的能級(jí)性質(zhì)，特別是α發(fā)射閾之上的26Al共振態(tài)對(duì)于研究22Na(α,p)25Mg及22Na(α,γ)26Al等反應(yīng)有重要意義。利用常規(guī)的核譜學(xué)方法如25Mg(α,t)26Al等轉(zhuǎn)移反應(yīng)，雖能得到26Al不少低激發(fā)能級(jí)的性質(zhì)[12]。但對(duì)于上述兩個(gè)反應(yīng)所涉及的26Al α發(fā)射閾之上的高激發(fā)態(tài)，最直接的手段是22Na+α共振散射。對(duì)于流強(qiáng)較弱的放射性核束，利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)厚靶方法將次級(jí)束及較重的產(chǎn)物阻止在反應(yīng)靶中，在反應(yīng)靶的下游測(cè)量彈性散射等出射的輕粒子；經(jīng)能量損失及兩體反應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)重構(gòu)，可一次得到較大能量范圍的激發(fā)函數(shù)。該方法在次級(jí)束與質(zhì)子引起的彈性共振散射研究中已得到廣泛應(yīng)用[13-14]。

利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)厚靶實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)22Na+α共振散射進(jìn)行初步測(cè)量，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4所示。為使22Na完全阻止在氣體中，用流氣系統(tǒng)將氣體靶中的氦氣壓強(qiáng)維持在(53.33±0.53) kPa，并用(10.67±0.13) kPa的氬氣對(duì)實(shí)驗(yàn)本底進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)榘?2Na在內(nèi)的較重粒子均被阻止在氣體靶中，從氣體靶后窗出射的僅質(zhì)子、α等輕粒子。為實(shí)現(xiàn)粒子鑒別，在氣體靶的后方安裝3組硅探測(cè)器望遠(yuǎn)鏡(ST，silicon-detector telescope)。每組硅望遠(yuǎn)鏡均包含1塊穿透型的雙面硅微條探測(cè)器和1、2塊方硅探測(cè)器，它們的有效面積均為50 mm×50 mm。雙面硅微條探測(cè)器的厚度約為65 μm左右，方硅探測(cè)器的厚度為1.5 mm。圖4中位于0°方向的ST1包含2塊方硅，后一塊方硅是為了反符合去除次級(jí)束中可能包含的高能輕粒子。在4 d的束流時(shí)間內(nèi)，3組探測(cè)器共累計(jì)了約5×104個(gè)α事件。

圖4 22Na+α共振散射的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

對(duì)有效α事件進(jìn)行兩體運(yùn)動(dòng)學(xué)重構(gòu)分析，得到22Na+α彈性共振散射的激發(fā)函數(shù)(不同質(zhì)心系能量Ecm的截面對(duì)立體角的微分)如圖5所示。在3組激發(fā)函數(shù)中，均觀測(cè)到了明顯的共振峰結(jié)構(gòu)。對(duì)本實(shí)驗(yàn)的激發(fā)函數(shù)進(jìn)行R-矩陣?yán)碚摲治?，可?dǎo)出復(fù)合核26Al的α發(fā)射閾之上共振態(tài)的能量、自旋宇稱以及α分寬度等物理信息，這部分的工作目前正在進(jìn)行中。

圖5 22Na+α彈性共振散射的激發(fā)函數(shù)

4 結(jié)果與討論

在日本東京大學(xué)核研究中心的CRIB次級(jí)束裝置上，利用1H(22Ne,22Na)n反應(yīng)產(chǎn)生了高品質(zhì)的22Na次級(jí)束。調(diào)束過程中先用流強(qiáng)很小的22Ne初級(jí)束，對(duì)裝置上各電磁元件及調(diào)束用的探測(cè)器進(jìn)行刻度；然后沿先F2后F3聚焦平面的順序逐次調(diào)試最佳條件，得到純度好于90%的22Na次級(jí)束；最后將初級(jí)束的流強(qiáng)提高到約70 nA，使22Na次級(jí)束的強(qiáng)度達(dá)到2.5×105s-1。調(diào)出的22Na次級(jí)束已應(yīng)用于22Na+α共振散射的厚靶實(shí)驗(yàn)研究，獲得了Ecm=4.0～5.6 MeV區(qū)間22Na(α,α)彈性散射的激發(fā)函數(shù)。

感謝日本東京大學(xué)核研究中心和理化學(xué)研究所的加速器運(yùn)行人員對(duì)實(shí)驗(yàn)的順利開展所提供的支持和幫助。

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