張志遠(yuǎn)，甘再國(guó)，黃明輝，黃天衡，馬 龍，馬 飛，鄭 勇，周小紅，徐瑚珊，詹文龍

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

超重元素的合成和性質(zhì)研究是檢驗(yàn)現(xiàn)代核結(jié)構(gòu)理論的重要手段，也是探索元素的原子序數(shù)極限的主要方法。核電荷數(shù)大于92（鈾核電荷數(shù)）的所有元素都是用人工方法首次合成的。多種理論預(yù)言，較208Pb更重的下一個(gè)雙幻核在質(zhì)子數(shù)Z＝114（或120、126），中子數(shù)N＝184核素附近［1－3］。目前，實(shí)驗(yàn)室合成元素的原子序數(shù)已達(dá)118［4－5］，更高原子序數(shù)的核素合成實(shí)驗(yàn)在不斷進(jìn)行中。

重離子熔合蒸發(fā)反應(yīng)是合成超重核素的主要方法，但核素的核電荷數(shù)越大，其合成截面就越低（約pb量級(jí)），通常，1、2個(gè)月的束流實(shí)驗(yàn)才可看到幾個(gè)事件，因此，可靠穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和鑒別手段是超重核實(shí)驗(yàn)的必要條件。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)下，從薄靶中反沖出的超重核一般都利用電磁分離技術(shù)在飛行中進(jìn)行分離，并被具有單原子衰變測(cè)量能力的探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量和鑒別。主要的分離設(shè)備有兩種：一種是電磁反沖分離器，利用正交電磁場(chǎng)或靜電偏轉(zhuǎn)技術(shù)，將帶電的反沖余核進(jìn) 行分離［6－7］，如德國(guó) GSI的SHIP［6］、俄羅斯JINR 的 VASSILISSA［7］、法國(guó)GANIL的LISEⅢ［8］等。另一種是充氣反沖分離器，將帶有不同電荷的反沖余核與稀薄氣體發(fā)生多次碰撞，使余核電荷態(tài)達(dá)到平衡值，并通過(guò)設(shè)置合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行分離［9］，如俄羅斯JINR的DGFRS［10］、日本RIKEN的GARIS［11］、德國(guó) GSI 的 TASCA［12］、美國(guó)LBNL的BGS［13］、芬蘭Jyvǎskyl?大學(xué)加速器實(shí)驗(yàn)室的RITU［14］等。兩種分離設(shè)備都具有傳輸速度快、效率高等特點(diǎn)，可用于研究壽命短（μs量級(jí)）、產(chǎn)生截面低（pb量級(jí)）的重核素的合成及性質(zhì)。

本文主要介紹蘭州重離子研究裝置（HIRFL）上新建的用于超重核研究的實(shí)驗(yàn)終端——充氣譜儀裝置及初步調(diào)試結(jié)果。

1 充氣譜儀裝置

結(jié)合國(guó)際上多臺(tái)充氣反沖譜儀的優(yōu)缺點(diǎn)，近代物理研究所設(shè)計(jì)的充氣譜儀裝置采用QvDhQvQh構(gòu)型（圖1，其中，Qh、Qv分別為具有水平方向和豎直方向聚焦作用的四極磁鐵，Dh為具有水平聚焦分量的二極磁鐵），其主要設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。與傳統(tǒng)的充氣譜儀DQQ構(gòu)型不同，本裝置在Dh鐵之前增加豎直方向聚焦的Qv鐵，以增加譜儀接收立體角。Dh鐵在偏轉(zhuǎn)反應(yīng)產(chǎn)物的同時(shí)具有水平聚焦作用，以提高譜儀的傳輸效率。本裝置的充氣部分及加速器真空腔的隔離與GARIS［8］的設(shè)計(jì)類似，采用差分抽氣系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于避免使用真空隔斷窗，對(duì)束流能量和束流發(fā)散無(wú)影響。充氣譜儀的本底主要來(lái)自散射的束流、轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物以及散射的靶離子，而提高本底抑制能力的最直接方法就是增大Dh鐵偏轉(zhuǎn)角。本裝置設(shè)計(jì)了較大的偏轉(zhuǎn)角（52°），以減少本底對(duì)目標(biāo)核探測(cè)的影響。另外，本裝置的最大磁剛度設(shè)計(jì)為2.88T·m，僅次于JINR的DGFRS，可用于磁剛度較大的“暖熔合”［2］反應(yīng)產(chǎn)物的分離。

圖1 HIRFL充氣譜儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic view of HIRFL gas－filled recoil separator

表1 充氣譜儀主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Technical parameters of gas－filled recoil separator

2 175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac實(shí)驗(yàn)研究

為測(cè)試充氣譜儀的性能，選取截面已知的反應(yīng)175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac［15］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用能量177.1MeV、流強(qiáng)約0.5eμA的40Ar11＋束流轟擊質(zhì)量厚度為532μg／cm2的天然175Lu靶，產(chǎn)生的蒸發(fā)余核211，210Ac經(jīng)譜儀傳輸注入焦平面探測(cè)器中，并在其中衰變。焦平面探測(cè)器采用16分條的位置靈敏硅條探測(cè)器，靈敏面積為58mm×58mm，雙端讀出的硅條信號(hào)之和作為能量信號(hào)，并由電荷分除法得到位置信號(hào)。采用固定靶實(shí)驗(yàn)，距靶后20cm處在10°、30°、45°分別安裝硅雪崩光電二極管（Si APD），通過(guò)測(cè)量束流的 Rutherford彈性散射來(lái)監(jiān)測(cè)流強(qiáng)。在整個(gè)譜儀裝置內(nèi)，充入氣壓約100Pa的He氣作為工作氣體。

圖2示出了實(shí)驗(yàn)中獲得的典型α衰變信號(hào)能譜。從圖2可明顯看出，211，210Ac→207，206Fr→203，202At→199，198Bi衰變鏈產(chǎn)生了3個(gè) α峰。由于余核是注入探測(cè)器表面后才進(jìn)行衰變，所以，圖中除去本底之后的母核α峰計(jì)數(shù)只有注入探測(cè)器的蒸發(fā)余核計(jì)數(shù)的一半。207，206Fr的計(jì)數(shù)多于211，210Ac，是由于該束流能量下還存在其它反應(yīng)道的影響。203，202At的計(jì)數(shù)較少，是由于其半衰期較長(zhǎng)，在記譜時(shí)間內(nèi)未完全衰變。

圖2 焦平面探測(cè)器衰變信號(hào)譜Fig.2 Typical decay energy spectrum in focal plane

為測(cè)量不同氣壓下余核電荷態(tài)分布和譜儀傳輸效率的變化，在充氣氣壓分別為75、84和102Pa時(shí)，設(shè)置偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B在0.81～0.92T之間變化，測(cè)量反沖余核211，210Ac衰變的計(jì)數(shù)率，從而得到不同He氣氣壓下余核的電荷態(tài)分布（圖3）。對(duì)于動(dòng)能一定的反沖余核，不同的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即對(duì)應(yīng)不同的電荷態(tài)，因此，圖3中橫軸取余核的電荷態(tài)。計(jì)算中考慮了靶厚對(duì)余核反沖能的影響，未考慮余核在He氣中的能損。圖3中實(shí)線、虛線和點(diǎn)劃線分別是對(duì)不同氣壓下余核電荷態(tài)分布的高斯擬合，通過(guò)擬合得到在75Pa下，余核平衡電荷態(tài)q＝6.48±0.23；84Pa氣壓下，＝6.52±0.26；102Pa下＝6.56±0.23。根據(jù)文獻(xiàn)［16］給出的計(jì)算平衡電荷態(tài)的經(jīng)驗(yàn)公式＝3.3×10－7vZ1／3－1.18（其中：v為余核反沖速度，Z為原子序數(shù)），得到該速度下余核平衡電荷態(tài)為6.54，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值符合較好，由此說(shuō)明利用此公式來(lái)計(jì)算該核區(qū)其它核素在He氣中的平衡電荷態(tài)是可行的。另外可看出，隨著充氣氣壓的升高，電荷態(tài)分布的平衡值稍有變大，同時(shí)探測(cè)到余核α衰變的最大計(jì)數(shù)率變化不大，說(shuō)明該范圍內(nèi)的氣壓變化對(duì)產(chǎn)物的傳輸效率影響較小。平衡值變大的主要原因是當(dāng)充氣氣壓升高時(shí)，余核與氣體分子的碰撞幾率增大，使得余核的電子被激發(fā)的幾率也增大，而處于激發(fā)態(tài)的電子更易從余核中脫離［9］，由此導(dǎo)致平衡電荷態(tài)變大。

圖3 余核電荷態(tài)分布Fig.3 Measured charge state distributions of evaporation residues in helium gas

傳輸效率是充氣譜儀是否可用于超重核實(shí)驗(yàn)研究的重要依據(jù)，它的測(cè)量是本次實(shí)驗(yàn)的主要目的之一。目前探測(cè)器的靈敏面積小于譜儀焦平面的設(shè)計(jì)值，所以，此次實(shí)驗(yàn)只能給出傳輸效率的下限。從圖3可看到，在流強(qiáng)1eμA的條件下，探測(cè)到母核211，210Ac衰變產(chǎn)生的α粒子最大計(jì)數(shù)率約為300min－1，再考慮到探測(cè)器對(duì)衰變信號(hào)的探測(cè)效率50%，天然175Lu靶的豐度97%，得到目前實(shí)驗(yàn)條件下充氣譜儀對(duì)175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸效率下限為14%。若增大探測(cè)器的面積，測(cè)量的傳輸效率還將進(jìn)一步提高。芬蘭RITU譜儀用相同反應(yīng)道測(cè)試的傳輸效率是25%［14］，但這并不完全具有可比性，原因是兩個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)有一定差異，本譜儀Dh鐵偏轉(zhuǎn)角度大，更側(cè)重于抑制本底。

3 總結(jié)

本文主要介紹了在HIRFL上新運(yùn)行的超重核充氣譜儀實(shí)驗(yàn)裝置及其初步調(diào)試結(jié)果。利用反應(yīng)175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac測(cè)試了譜儀性能，得到兩方面結(jié)果：1）反沖余核211，210Ac在不同He氣氣壓中運(yùn)動(dòng)的電荷態(tài)分布，其平衡值與文獻(xiàn)［16］給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值符合較好；2）通過(guò)估算得到充氣譜儀對(duì)該反應(yīng)道產(chǎn)物的傳輸效率下限為14%。

感謝中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器工作人員提供的穩(wěn)定40Ar束流。

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