楊 磊 林承鍵 賈會(huì)明 馬南茹 溫培威 楊 峰 張煥喬

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

中國(guó)原子能科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱原子能院）核反應(yīng)團(tuán)隊(duì)形成于1988 年串列加速器核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成立之初。團(tuán)隊(duì)早期主要依托串列加速器開展近壘及壘下能區(qū)重離子熔合裂變機(jī)制的研究，在熔合-裂變機(jī)制、勢(shì)壘分布等方向取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，奠定了團(tuán)隊(duì)在低能重離子核反應(yīng)領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)地位。2000 年左右，隨著放射性核束的興起，團(tuán)隊(duì)在繼續(xù)深入重離子熔合裂變機(jī)制研究的同時(shí)，也拓展了奇特核反應(yīng)機(jī)制及其核結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究方向，包括弱束縛核反應(yīng)機(jī)制、暈核結(jié)構(gòu)以及高激發(fā)態(tài)質(zhì)子發(fā)射機(jī)制等，并取得了豐碩成果。本文將從重離子核反應(yīng)機(jī)制、奇特核結(jié)構(gòu)與奇異衰變和弱束縛核反應(yīng)機(jī)制三個(gè)方面簡(jiǎn)要回顧原子能院核反應(yīng)團(tuán)隊(duì)近40年來的代表性研究成果，并對(duì)將來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 重離子核反應(yīng)機(jī)制研究

1.1 熔合-裂變機(jī)制研究

重離子反應(yīng)生成的復(fù)合核或復(fù)合核系統(tǒng)處于高激發(fā)、高角動(dòng)量的狀態(tài)，其裂變特征與自發(fā)裂變或輕離子引起的裂變有很大不同。由于其反應(yīng)途徑非常復(fù)雜，重離子的熔合-裂變機(jī)制仍然是亟待解決的問題。

1986 年，Vandenbosch 等［1］發(fā) 現(xiàn)，12C+236U和16O+232Th體系在近壘和壘下能區(qū)裂變碎片角分布的各向異性明顯大于鞍點(diǎn)過渡態(tài)（Saddle-Point Transition-State，SPTS）模型的計(jì)算結(jié)果，即存在角分布各向異性異常現(xiàn)象。對(duì)于上述錒系靶核，其裂變勢(shì)壘相對(duì)較低（5~6 MeV），除了全熔合過程導(dǎo)致的裂變反應(yīng)外，非彈激發(fā)、核子轉(zhuǎn)移等直接反應(yīng)也會(huì)誘發(fā)靶核或者類靶核的裂變。由非彈激發(fā)引起的裂變不會(huì)產(chǎn)生角分布的各向異性異常；而轉(zhuǎn)移反應(yīng)引起的裂變，由于彈核帶來的線性動(dòng)量?jī)H部分轉(zhuǎn)移到靶核上，可能會(huì)導(dǎo)致類靶核裂變角分布的各向異性出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此，區(qū)分全熔合裂變和轉(zhuǎn)移跟隨裂變是理解此異?，F(xiàn)象的關(guān)鍵。為了解決這一問題，核反應(yīng)團(tuán)隊(duì)的張煥喬和劉祖華等［2］進(jìn)一步發(fā)展了折疊角技術(shù)，很好地區(qū)分了不同的裂變成分。折疊角通常是指兩個(gè)裂變碎片出射方向之間的夾角。對(duì)于全熔合裂變而言，彈核帶來的線性動(dòng)量和角動(dòng)量全部轉(zhuǎn)移到復(fù)合核中，即全動(dòng)量轉(zhuǎn)移。相比于部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移反應(yīng)誘發(fā)裂變，全熔合裂變過程會(huì)表現(xiàn)出不同的折疊角分布。圖1 顯示了16O+232Th體系在能量為78 MeV 和86 MeV 時(shí)不同角區(qū)（每10°一個(gè)角區(qū)）裂變碎片的折疊角分布，其中右側(cè)主峰對(duì)應(yīng)全動(dòng)量轉(zhuǎn)移的全熔合裂變事件，左側(cè)小峰對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)移跟隨裂變成分。

圖1 16O+232Th體系在78 MeV (a)和86 MeV (b)能量下的裂變碎片折疊角分布[2]實(shí)線為高斯擬合結(jié)果Fig.1 Fragment folding angle distributions for 16O+232Th at 78 MeV (a) and 86 MeV (b)[2]solid curves denote the Gaussian fitting results

利用折疊角技術(shù)以及雙速度測(cè)量技術(shù)，可以很好地扣除非全熔合裂變事件?；诖?，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展 了11B［3］、12C［4］+237Np、11B［4］、16O［2］+238U 和16O［3，5］、19F［2，6］+232Th 裂變碎片角分布的測(cè)量，進(jìn)一步證實(shí)了在近壘和壘下能區(qū)全熔合裂變碎片角分布各向異性存在異常，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注［7］。熔合-裂變是一個(gè)復(fù)雜的過程，各種非平衡裂變、非復(fù)合核過程以及核結(jié)構(gòu)和初始狀態(tài)等因素均可能導(dǎo)致碎片角分布各向異性的異常，到目前還沒有一致的解釋。1995 年，劉祖華和張煥喬等［3］提出了低角動(dòng)量相依的預(yù)平衡裂變模型：在近壘和壘下能區(qū)，入射道遷移到復(fù)合體系的軌道角動(dòng)量較少，復(fù)合體系總自旋J較低，K（復(fù)合核體系總自旋在對(duì)稱軸上的投影）分布的弛豫與J相關(guān)。這樣，低角動(dòng)量使得K自由度弛豫時(shí)間變長(zhǎng)，未平衡而發(fā)生裂變，即K預(yù)平衡裂變。相比于標(biāo)準(zhǔn)的鞍點(diǎn)過渡態(tài)（Saddle-Point Transition-State，SPTS）模型，低角動(dòng)量相依的預(yù)平衡裂變模型能夠較好地描述實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的裂變碎片角分布，是國(guó)際上兩個(gè)著名模型之一（另一個(gè)是Hinde等［8］提出的形變相依的準(zhǔn)裂變模型）。

另一方面，在重離子碰撞過程中，除了形成復(fù)合核繼而裂變的全熔合裂變外，還存在快裂變和準(zhǔn)裂變過程。準(zhǔn)裂變是指質(zhì)量自由度、K自由度等未平衡，此 時(shí) 復(fù) 合 核 尚 未 形 成。1983 年，Back 等［9］在16O+238U 體系中發(fā)現(xiàn)明顯存在裂變碎片角分布各向異性。這被認(rèn)為是準(zhǔn)裂變存在的信號(hào)。張煥喬等［10］在近壘能區(qū)測(cè)量了32，34S+182，184W 體系熔合裂變激發(fā)函數(shù)，并利用角分布和質(zhì)量分布等測(cè)量手段，首次在中等體系中成功解析出了準(zhǔn)裂變成分。該結(jié)果被認(rèn)為是準(zhǔn)裂變研究領(lǐng)域中的重要進(jìn)展。

為了深入理解核的形變對(duì)裂變機(jī)制的影響，核反應(yīng)團(tuán)隊(duì)的林承鍵等［11］在近壘能區(qū)開展了48Ti+144，154Sm、162Dy、174Yb、186W、192Os、196Pt、200Hg、208Pb 等體系的裂變碎片質(zhì)量分布的系統(tǒng)學(xué)研究。不同靶核的裂變碎片質(zhì)量分布的寬度（σM）隨能量變化的情況如圖2所示?？梢姡瑢?duì)于輕靶核或者球形靶核，σM隨入射能量增加而增大，與熔合裂變的行為相符。但是，對(duì)于重靶核或者形變靶核，σM隨入射能量的減小而迅速增大。該工作同時(shí)細(xì)致考察了可裂變性、核形變以及入射能量之間的復(fù)雜關(guān)系，為進(jìn)一步理解準(zhǔn)裂變動(dòng)力學(xué)機(jī)制打下了基礎(chǔ)。

圖2 48Ti不同體系的裂變碎片質(zhì)量分布寬度隨能量變化情況[11]Fig.2 Mass widths of the fission fragments of 48Ti interacting with different targets at various energies[11]

1.2 熔合反應(yīng)與耦合道效應(yīng)研究

近壘核反應(yīng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是存在強(qiáng)烈的耦合道效應(yīng)，導(dǎo)致壘下熔合截面呈數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)?，F(xiàn)有耦合道理論可以很好地描述由非彈激發(fā)引起的集體運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）的耦合，但不能合理描述轉(zhuǎn)移道的耦合，特別是對(duì)于帶有正Q值的中子轉(zhuǎn)移道。

為此，團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。利用靜電偏轉(zhuǎn)板系統(tǒng)測(cè)量了16，18O+50，52Cr、54Fe、58Ni、74，76Ge［12］和32S+90，94，96Zr［13］、112，116，120，124Sn、144，154Sm 等體系的熔合激發(fā)函數(shù)，抽取了勢(shì)壘分布。其中，18O體系的-2n道（“-”表示剝離）具有正Q值，與16O 體系形成鮮明對(duì)比；而32S 與豐中子靶核的+xn 道（“+”表示拾取，“x”表示轉(zhuǎn)移中子的數(shù)目）具有正Q值，最多可達(dá)+6n道。結(jié)合完全耦合道模型分析，結(jié)果表明，18O 體系沒有明顯的與正Q值轉(zhuǎn)移道相聯(lián)系的熔合截面增強(qiáng)，而32S體系呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的與正Q值轉(zhuǎn)移道相關(guān)的熔合截面增強(qiáng)，揭示了轉(zhuǎn)移反應(yīng)本身及其耦合的復(fù)雜性，如核子的遷移、重排和能量耗散以及核子之間的關(guān)聯(lián)等。為準(zhǔn)確評(píng)估轉(zhuǎn)移道耦合的貢獻(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出了殘余增強(qiáng)（Residual Enhancement，RE）的概念以扣除集體運(yùn)動(dòng)耦合的貢獻(xiàn)，在耦合道模型計(jì)算中自洽地包含了核結(jié)構(gòu)的信息，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熔合增強(qiáng)與+xn的Q值相關(guān)，但在Zr 體系中存在異常的同位素效應(yīng)［14］，如圖3 所示?，F(xiàn)有耦合道模型無法解釋該現(xiàn)象，其深層的物理原因需要進(jìn)一步探索。

圖3 S+Zr (a)和Ca+Zr (b)體系的熔合截面殘余增強(qiáng)（Residual Enhancement, RE）隨能量的變化[14]Fig.3 RE as a function of Ec.m./VB for S+Zr (a) and Ca+Zr (b)systems[14]

1.3 錒系核關(guān)鍵反應(yīng)截面的提取

錒系核（n，2n）反應(yīng)（中子增殖反應(yīng)）截面是核能（快堆、釷基堆等）和國(guó)防領(lǐng)域重要的核數(shù)據(jù)，其中，239Pu（n，2n）尤為關(guān)鍵，但我國(guó)長(zhǎng)期缺乏自主的測(cè)量數(shù)據(jù)，只能使用國(guó)外公開的數(shù)據(jù)。測(cè)量的困難在于：1）直接測(cè)量2n受限于束流中子的強(qiáng)本底干擾；2）活化法測(cè)量需要極高的靶純度，通常要求好于10-10；3）在束γ 測(cè)量需要完整的分支比信息，這受限于核結(jié)構(gòu)信息。為滿足國(guó)家重大需求，團(tuán)隊(duì)提出了用輕帶電粒子（如p，d，3He 和α 等）俘獲代替中子俘獲的替代反應(yīng)法，開展了寬能區(qū)（n，2n）反應(yīng)截面的測(cè)量。該方法能夠克服傳統(tǒng)替代反應(yīng)面臨的自旋修正的難題。

首先，用232Th（α，2n）替代235U（n，2n）開展了方法驗(yàn)證研究。這兩個(gè)反應(yīng)生成相同的復(fù)合核236U，在激發(fā)能、自旋相同的情況下，它們的2n 蒸發(fā)道截面是一樣的。據(jù)此，測(cè)量了α+232Th在18~36 MeV之間的裂變截面和2n 蒸發(fā)余核234U 的α 活度，獲得了6~19 MeV之間14個(gè)能點(diǎn)的235U（n，2n）反應(yīng)截面，與直接測(cè)量結(jié)果以及評(píng)價(jià)庫數(shù)據(jù)符合較好，驗(yàn)證了方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，開展了用236U（α，2n）替代239Pu（n，2n）的研究，獲得了6~20 MeV 之間15 個(gè)能點(diǎn)的239Pu（n，2n）反應(yīng)截面［15］，如圖4 所示。這是我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的239Pu（n，2n）激發(fā)函數(shù)的數(shù)據(jù)。所提出的替代俘獲反應(yīng)法為錒系核（n，2n）反應(yīng)截面的測(cè)量開辟了一條新途徑。

圖4 替代俘獲法得到的239Pu(n, 2n)截面與其他數(shù)據(jù)的比較[15]Fig.4 Comparison of the cross section of 239Pu(n, 2n) deduced from the surrogate method with other data[15]

2 奇特核結(jié)構(gòu)與奇異衰變

2.1 原子核高極次形變研究

原子核的形變是人們廣泛感興趣的話題之一。低極次的形變，如四極和八極形變參數(shù)（β2和β3）可以通過在束γ譜學(xué)的方法測(cè)定，但高極次的形變，如十六極形變參數(shù)（β4）的精確測(cè)量是一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題。有鑒于此，團(tuán)隊(duì)提出了用低能背角準(zhǔn)彈散射研究原子核形變的方法。在壘下能區(qū)，背角準(zhǔn)彈角分布對(duì)耦合道效應(yīng)非常敏感，特別是對(duì)形變參數(shù)。因此，通過擬合背角準(zhǔn)彈角分布有可能抽取β4。為了驗(yàn)證該方法的有效性，團(tuán)隊(duì)選取稀土區(qū)三個(gè)典型的形變核：152Sm、170Er 和174Yb 作為靶核，高精度測(cè)量了16O+152Sm、170Er、174Yb體系從壘上到深壘下能區(qū)的背角準(zhǔn)彈散射激發(fā)函數(shù)［16］。基于壘下數(shù)據(jù)用χ2分析擬合勢(shì)壘分布，抽取了三個(gè)靶核的高精度β4值，如圖5所示?？梢?，通過背角準(zhǔn)彈角分布提取的β4與其他實(shí)驗(yàn)方法（如庫侖激發(fā)、庫侖-核激發(fā)相干效應(yīng)以及電子散射等）得到的結(jié)果符合較好，進(jìn)一步提供了原子核存在十六極形變的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖5 從背角準(zhǔn)彈角分布提取的十六極形變參數(shù)β4與其他方法以及理論計(jì)算結(jié)果（Moller95）的比較[16]右邊從上至下分別為β4=-0.1, 0和0.1以及β2=0.3的形變示意圖Fig.5 β4 extracted from quasi-elastic scattering at backward angles and compared with the results from other experimental approaches as well as the theoretical prediction (Moller95)[16]:three schematic forms corresponding to β4 = -0.1, 0, and 0.1 with β2 = 0.3 are illustrated

2.2 激發(fā)態(tài)暈結(jié)構(gòu)研究

當(dāng)原子核遠(yuǎn)離β 穩(wěn)定線時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)物質(zhì)密度非常松散的暈結(jié)構(gòu)。暈核出現(xiàn)的區(qū)域、結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及其參與反應(yīng)的機(jī)制等是當(dāng)前核物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。目前所找到的暈核，大部分是滴線附近的原子核。那么在β穩(wěn)定線上或者附近是否存在暈結(jié)構(gòu)的核態(tài)？從形成暈結(jié)構(gòu)的條件來看，答案是肯定的。Otsuka 等［17］指出：暈現(xiàn)象具有普遍性。許多β 穩(wěn)定線上或者附近核的激發(fā)態(tài)可能存在著暈結(jié)構(gòu)。

為了在β 穩(wěn)定線附近尋找新的暈核態(tài)，我們測(cè)量了11B（d，p）和12C（d，p）反應(yīng)中出射道12B 和13C 的幾個(gè)感興趣核態(tài)的角分布［18］。根據(jù)前角的截面數(shù)據(jù)，分別用扭曲波玻恩近似（Distorted-Wave Born Approximation，DWBA）方法和漸進(jìn)歸一化系數(shù)（Asymptotic Normalization Coefficient，ANC）方法抽取了各核態(tài)外層中子的密度分布、均方根（Root Mean Square，RMS）半徑以及外層核子的貢獻(xiàn)等。由于ANC 方法的模型近似無關(guān)性，其結(jié)果更加可信。得到13C 基態(tài)、第一和第三激發(fā)態(tài)ANC 系數(shù)為（1.93±0.17） fm-1/2、（1.84±0.16） fm-1/2和（0.15±0.01） fm-1/2；RMS 半 徑 為（3.39±0.31） fm、（5.04±0.75） fm 和（3.68±0.40） fm；相應(yīng)的外層中子處于勢(shì)阱外概率為14.3%、50.3%和25.2%。結(jié)果證實(shí)，13C的第一激發(fā)態(tài)為暈核態(tài)，這是首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)在β 穩(wěn)定線上存在激發(fā)的暈核態(tài)。同時(shí)得到12B 基態(tài)、第二和第三激發(fā)態(tài)ANC 系數(shù)為（1.16±0.10） fm-1/2、（1.34±0.12） fm-1/2和（0.94±0.08） fm-1/2；RMS 半徑為（3.16±0.32） fm、（4.01±0.61） fm 和（5.64±0.90） fm；相應(yīng)的外層中子處于勢(shì)阱外概率為19.9%、53.6%和66.8%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，12B 第二、三激發(fā)態(tài)為暈核態(tài)，這是在β穩(wěn)定線附近找到第二個(gè)核的新暈核態(tài)。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于改進(jìn)的單粒子勢(shì)模型，系統(tǒng)研究了暈存在的條件。單粒子勢(shì)模型源自Hansen 和Jonson描述暈核的核芯＋價(jià)粒子圖像。該單粒子勢(shì)模型僅對(duì)中子暈結(jié)構(gòu)作了描述，而且使用的是方勢(shì)阱，這和實(shí)際情況有區(qū)別。因此，使用更符合實(shí)際情況的Woods-Saxon 勢(shì)對(duì)單粒子勢(shì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并引入了庫侖勢(shì)和自旋-軌道耦合勢(shì)形式，以進(jìn)一步考察質(zhì)子暈存在的條件?；诟倪M(jìn)的單粒子勢(shì)模型，計(jì)算了質(zhì)子滴線核8B 和17F 不同軌道的價(jià)質(zhì)子RMS 半徑隨束縛能變化的情況。結(jié)果如圖6 所示?？梢悦黠@看出，計(jì)算點(diǎn)分布在三條線上，說明不同l值的RMS 半徑變化有著各自的規(guī)律。對(duì)于l=2 的態(tài)，由于僅有三個(gè)點(diǎn)，難以得出可靠的擬合結(jié)果（如圖中虛線所示），而且在d 態(tài)形成暈的可能性極小。注意到，由于庫侖勢(shì)壘的存在，一些能量大于零，但低于庫侖位壘高度VB的共振態(tài)，有一定的存活壽命，因此，有可能成為質(zhì)子暈的共振核態(tài)。因此，對(duì)質(zhì)子暈來說，實(shí)際形成暈結(jié)構(gòu)的必要條件是：-0.511/Rcn

圖6 17F的l=0 (a)、8B的l=1 (b)和17F的l=2 (c)軌道的核外價(jià)質(zhì)子分布的均方根半徑隨分離能的變化[19]Fig.6 RMS radii of valence protons varying with the separation energies for a number of states in light proton-rich nuclei: the solid circles, squares, and triangles represent the results of the l = 0, 1, and 2 states, respectively[19]

2.3 雙質(zhì)子奇異發(fā)射機(jī)制研究

雙質(zhì)子發(fā)射是近質(zhì)子滴線核特有的一種奇特衰變模式，與核子的對(duì)關(guān)聯(lián)以及核天體（2p，γ）過程等問題相關(guān)，是目前近質(zhì)子滴線核區(qū)的研究前沿之一。高激發(fā)態(tài)的雙質(zhì)子發(fā)射能夠提供核子在核內(nèi)的組態(tài)和構(gòu)形等信息，對(duì)于探索奇特核結(jié)構(gòu)、核子關(guān)聯(lián)和量子多體理論等具有重要的科學(xué)意義。

我們基于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的放射性核束裝置（Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou，RIBLL）產(chǎn)生的28，29S和27，28P等豐質(zhì)子核，通過庫侖激發(fā)布居到高激發(fā)態(tài)，系統(tǒng)研究了雙質(zhì)子發(fā)射的機(jī)制和內(nèi)在關(guān)聯(lián)［20-22］。實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，利用硅條探測(cè)器組成陣列，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)完全測(cè)量的方法；數(shù)據(jù)分析方面，采用相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)重構(gòu)的方法，得到了衰變末態(tài)三體的不變質(zhì)量、兩個(gè)質(zhì)子的相對(duì)張角、相對(duì)動(dòng)量和相對(duì)能量等。建立了包含三種發(fā)射機(jī)制（三體無關(guān)聯(lián)發(fā)射、兩體級(jí)聯(lián)發(fā)射和雙質(zhì)子關(guān)聯(lián)發(fā)射）的蒙特卡羅方法分析數(shù)據(jù)，在28，29S 的高激發(fā)態(tài)上觀測(cè)到雙質(zhì)子關(guān)聯(lián)（即2He集團(tuán)）發(fā)射的事例［20］，其中，29S是國(guó)際上觀察到的第二例激發(fā)態(tài)2He 發(fā)射，如圖7 所示。對(duì)比28，29S 和27，28P 的情況，發(fā)現(xiàn)雙質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)是雙質(zhì)子關(guān)聯(lián)發(fā)射的主要成因，而非此前認(rèn)為的高形變軌道所致［21］。

圖7 29S在激發(fā)能9.6~10.4 MeV范圍內(nèi)的雙質(zhì)子動(dòng)量關(guān)聯(lián)(a)和張角分布(b)[20]曲線表示基于不同衰變模式的模擬結(jié)果Fig.7 Relative momentum (a) and opening angle (b) of two protons of 29S for the excited states at 9.6~10.4 MeV[20]: the curves denote the simulation results with different two-proton decay modes

2.4 質(zhì)子滴線核衰變譜學(xué)研究

遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線的原子核具有很大的衰變能，在β衰變之后通常布居在子核的高激發(fā)態(tài)上，可通過發(fā)射多個(gè)核子或者核子集團(tuán)以及裂變等再次衰變，如：βn、βp、β2n、β2p、βα 等。這些奇異衰變是滴線區(qū)核結(jié)構(gòu)的靈敏探針，能夠獲得有效相互作用（如對(duì)關(guān)聯(lián)、三體力、同位旋不對(duì)稱性等）和基本對(duì)稱性的知識(shí)。在前期開展高激發(fā)態(tài)雙質(zhì)子發(fā)射的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向滴線區(qū)原子核基態(tài)的奇異衰變，系統(tǒng)地開展了sd殼層極豐質(zhì)子核衰變譜學(xué)的研究。

實(shí)驗(yàn)基于RIBLL1 上開展。針對(duì)次級(jí)束強(qiáng)度弱的問題，為提高束流的利用效率，獲得較高的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，團(tuán)隊(duì)先后研制了三套以硅條探測(cè)器為核心的阻停-衰變探測(cè)器陣列，對(duì)質(zhì)子和雙質(zhì)子的探測(cè)效率分別大于50%和15%，能量分辨好于50 keV，探測(cè)閾值低于150 keV；同時(shí)發(fā)展了連續(xù)束注入模式的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了百萬分之一概率衰變事件的鑒別能力［23］。以此 為 基礎(chǔ)，精 細(xì) 測(cè) 量了20，21Mg、22，23Al、22，23，24，25Si、26，27P、27，28，29S 和36，37Ca 等原子核的衰變性質(zhì)［24］，高精度地獲得了它們的質(zhì)量、半衰期、衰變分支比等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)βp和β2p的奇異衰變。

22Si的中子數(shù)N=8，具有Borromean結(jié)構(gòu)，是輕核區(qū)唯一一個(gè)Tz=-3的核。此前法國(guó)大型重離子加速器（Grand Accélérateur National d'Ions Lourds，GANIL）僅觀察到一個(gè)βp衰變。我們基于高效率的探測(cè)手段，在22Si 的衰變質(zhì)子能譜中觀察到9 個(gè)峰，通過位置-能量關(guān)聯(lián)確定了5 700 keV峰是β2p衰變；并利用同位旋相似態(tài)（Isobaric Analog State，IAS）的庫侖置換能關(guān)系導(dǎo)出了22Si 的質(zhì)量，其2p 分離能為-108（125） keV，表明其可能存在基態(tài)的2p發(fā)射［25］。進(jìn)一步，通過p-γ符合確定了三個(gè)βp衰變，并構(gòu)建了衰變綱圖，如圖8所示。與鏡像核22O的β衰變比較，發(fā)現(xiàn)衰變到第一個(gè)1+態(tài)存在一個(gè)極大的同位旋不對(duì)稱性，δ≈209%（δ是β+與β-衰變概率的百分差）。用包含同位旋不守恒力的殼模型計(jì)算可以重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出這個(gè)大的不對(duì)稱性來源于22Al s1/2 軌道的暈結(jié)構(gòu)［26］。該結(jié)果為實(shí)驗(yàn)尋找暈結(jié)構(gòu)提供了新方法，同時(shí)為探索同位旋破缺的起源提供了新思路。

圖8 22Si的βp能譜(a)和衰變綱圖(b)[26]Fig.8 βp energy spectra (a) and decay scheme (b) of 22Si[26]

在27S的衰變中觀察到了13個(gè)質(zhì)子峰，與γ符合后確定了它們的能級(jí)和分支比等，構(gòu)建了衰變綱圖，如圖9所示，其中帶*號(hào)的是新觀察到的。實(shí)驗(yàn)首次同時(shí)測(cè)量了低激發(fā)態(tài)的βp和βγ衰變，獲得了核天體物理感興趣的25Al（p，γ）26Si 熱核反應(yīng)率［27］，結(jié)合27S中得到的26Si（p，γ）27P研究了銀河系中26Al的超豐問題。能量較低的6個(gè)峰（p1-p6）是β2p衰變，通過角關(guān)聯(lián)分析確定了級(jí)聯(lián)雙質(zhì)子發(fā)射的機(jī)制。在子核26Si的IAS 態(tài)（Ex=13 055 keV，T=2）附 近 發(fā) 現(xiàn) 了11 912 keV 和13 380 keV 兩個(gè)態(tài)，其中13 380 keV（T=1）態(tài)和IAS態(tài)為同位旋混合的雙重態(tài)，其混合矩陣元ν=130（21） keV，能級(jí)差ΔE=325（13） keV，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的同位旋混合［28］。同位旋混合態(tài)牽涉到費(fèi)米躍遷和Gamow-Teller（GT）躍遷兩種過程，其中費(fèi)米躍遷與卡比博-小林-益川矩陣（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa，CKM）矩陣的幺正性相關(guān)，Gamow-Teller（GT）躍遷牽涉到同位旋對(duì)稱性的破缺。研究26Si 中這個(gè)極強(qiáng)同位旋混合態(tài)出現(xiàn)的原因，將極大推進(jìn)對(duì)上述兩個(gè)重要問題的理解。

圖9 26P的β延遲衰變的質(zhì)子能譜(a)和衰變綱圖(b)[28]Fig.9 β delayed proton decay energy spectra (a) and decay scheme (b) of 26P[28]

3 弱束縛核反應(yīng)機(jī)制

3.1 光學(xué)勢(shì)的能量相依性研究

核-核相互作用勢(shì)是研究核反應(yīng)機(jī)制過程中首先需要確定的最基本的物理量。由于核-核相互作用勢(shì)與核結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，暈核體系的光學(xué)勢(shì)通常會(huì)表現(xiàn)出與緊束縛核體系不同的性質(zhì)，特別是其在深壘能區(qū)的變化趨勢(shì)，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。由于受到放射性核束品質(zhì)的限制，使得難以直接從彈性散射角分布中抽取暈核體系的光學(xué)勢(shì)參數(shù)。因此，團(tuán)隊(duì)提出了利用轉(zhuǎn)移反應(yīng)研究奇特核體系光學(xué)勢(shì)性質(zhì)的原創(chuàng)性方法。該方法利用穩(wěn)定核束的轉(zhuǎn)移反應(yīng)作為探針，通過擬合轉(zhuǎn)移反應(yīng)角分布，從而抽取出射道體系的光學(xué)勢(shì)參數(shù)［29］。這種方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1）可以利用現(xiàn)有的高品質(zhì)穩(wěn)定束流開展實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到相對(duì)較高的精度，如統(tǒng)計(jì)、能量和角度精度等；2）通過轉(zhuǎn)移反應(yīng)可以布局到末態(tài)不同的激發(fā)態(tài)，這非常有利于進(jìn)行勢(shì)參數(shù)能量相依性的研究，并可針對(duì)某一核態(tài)進(jìn)行專門的研究?；谠摲椒ǎ覀?cè)诒本〩I-13串列加速器上進(jìn)行了多個(gè)體系的轉(zhuǎn)移反應(yīng)測(cè)量，以研究出射道奇特核體系光學(xué)勢(shì)性質(zhì)［30-35］。特別是通過單質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)208Pb（7Li，6He）209Bi 首次確定了中子暈核6He+209Bi 體系的反應(yīng)閾值，完整揭示出反常“閾異?！钡默F(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)色散關(guān)系無法描述光學(xué)勢(shì)虛部和實(shí)部之間的關(guān)聯(lián)［34］，如圖10 所示。色散關(guān)系是由因果律推導(dǎo)得到，因此，色散關(guān)系不適用是非常反常的現(xiàn)象，其深層的物理原因亟待進(jìn)一步探索。

圖10 6He+209Bi體系光學(xué)勢(shì)實(shí)部(a)和虛部(b)深度隨能量變化的情況[34](a)中實(shí)線為分段線性擬合結(jié)果；(b)中實(shí)線為色散關(guān)系計(jì)算結(jié)果Fig.10 Energy dependence of the real (a) and imaginary (b)potentials at a sensitivity radius of 13.5 fm for the 6He+209Bi system: the solid curve in (b) shows the linear segment fitting for the imaginary potential, and the prediction of the dispersion relation according to the variation of the imaginary potential is represented in (a) by the solid curve[34]

另一方面，我們嘗試將貝葉斯方法應(yīng)用于抽取奇特核體系的光學(xué)勢(shì)［36］。首先考察了先驗(yàn)分布對(duì)貝葉斯分析結(jié)果的影響。針對(duì)6Li+209Bi 彈性散射數(shù)據(jù)，我們采用了文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的兩種虛部深度變化趨勢(shì)作為先驗(yàn)分布，同時(shí)采用一定區(qū)間內(nèi)的均勻分布的先驗(yàn)分布作為比較。結(jié)果表明，貝葉斯分析的結(jié)論強(qiáng)烈依賴于所采用的先驗(yàn)分布。這說明，由于唯像光學(xué)模型的模糊性，彈性散射數(shù)據(jù)不能夠?qū)鈱W(xué)勢(shì)參數(shù)的后驗(yàn)分布產(chǎn)生足夠的約束。在這種情況下，均勻分布或者無偏的頻率方法得到的結(jié)論可以作為先驗(yàn)分布對(duì)彈散數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯分析。該工作為將貝葉斯方法進(jìn)一步應(yīng)用于奇特核體系的光學(xué)勢(shì)分析打下了基礎(chǔ)。

3.2 質(zhì)子滴線核的反應(yīng)機(jī)制研究

近年來，隨著放射性束流強(qiáng)度和品質(zhì)的提升以及探測(cè)手段的升級(jí)，奇特核引起的在庫侖勢(shì)壘能區(qū)的核反應(yīng)機(jī)制研究是當(dāng)前核物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。對(duì)于弱束縛核，由于結(jié)合能較低，在反應(yīng)時(shí)容易發(fā)生破裂。破裂反應(yīng)道會(huì)對(duì)彈散和熔合等反應(yīng)道產(chǎn)生耦合效應(yīng)，從而影響整個(gè)體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。對(duì)于豐質(zhì)子核區(qū)，目前只有極少量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，因此，豐質(zhì)子核在近壘能區(qū)的反應(yīng)機(jī)制是亟待探索的空白區(qū)域。當(dāng)前，研究主要集中在8B 和17F 兩個(gè)核。8B 作為質(zhì)子暈核，其質(zhì)子分離能只有138 keV。17F為質(zhì)子滴線核，質(zhì)子破裂閾為600 keV，其第一激發(fā)態(tài)被認(rèn)為具有質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)。我們基于日本東京大學(xué)原子核研究中心的（Center for Nuclear Study Radioactive Ion Beam separator，CRIB）終端，對(duì)這兩個(gè)質(zhì)子滴線核分別開展了完全運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量［37］。

對(duì)17F+58Ni 體系在近壘能區(qū)4 個(gè)能點(diǎn)（43.6 MeV、47.5 MeV、55.7 MeV 和63.1 MeV）開展了測(cè)量［38］。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)低能重反應(yīng)產(chǎn)物的鑒別，設(shè)計(jì)了基于電離室的多層望遠(yuǎn)鏡陣列（Multilayer Ionization-chamber Telescope Array，MITA）［39］。該陣列由10組四重望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成，立體角覆蓋約為8% 4π?；贛ITA 強(qiáng)大的粒子鑒別能力，首次實(shí)現(xiàn)了17F 輕靶核體系在近壘能區(qū)反應(yīng)產(chǎn)物的完全鑒別，從而提取了準(zhǔn)彈性散射角分布、破裂反應(yīng)角分布以及總?cè)酆戏磻?yīng)激發(fā)函數(shù)等近全反應(yīng)道數(shù)據(jù)。各反應(yīng)道的激發(fā)函數(shù)如圖11 所示。結(jié)果表明：在壘上能區(qū)，熔合反應(yīng)是主要的反應(yīng)過程；隨著能量降低，熔合截面呈指數(shù)下降，在近壘和壘下能區(qū)，破裂/轉(zhuǎn)移等直接反應(yīng)過程占主導(dǎo)；同時(shí)，相比于16O+58Ni 體系，17F+58Ni在壘下能區(qū)表現(xiàn)出總?cè)酆戏磻?yīng)截面增強(qiáng)的現(xiàn)象。利用不同的反應(yīng)理論模型對(duì)各反應(yīng)道進(jìn)行了細(xì)致計(jì)算，結(jié)果表明：去彈性破裂是產(chǎn)生16O的主要機(jī)制；壘下熔合截面的增強(qiáng)主要是由于連續(xù)態(tài)的強(qiáng)耦合效應(yīng)所導(dǎo)致。該結(jié)果首次嘗試從全反應(yīng)道角度理解奇特核復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，并為推動(dòng)相關(guān)核反應(yīng)理論模型的發(fā)展提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖11 6He+209Bi體系光學(xué)勢(shì)實(shí)部(a)和虛部(b)深度隨能量變化的情況[38](a)中實(shí)線為分段線性擬合結(jié)果；(b)中實(shí)線為色散關(guān)系計(jì)算結(jié)果。17F+58Ni體系的總反應(yīng)截面（星形）、總?cè)酆戏磻?yīng)（圓形）、單舉破裂（三角形）和關(guān)聯(lián)破裂（正方形）激發(fā)函數(shù)。曲線為相應(yīng)核反應(yīng)理論模型的計(jì)算結(jié)果。箭頭標(biāo)明庫侖勢(shì)壘的位置，約為35.4 MeVFig.11 Excitation functions of total reaction (stars) and exclusive (squares) and inclusive (triangles) breakups, as well as the total fusion (circles), of 17F+58Ni: the curves denote the theoretical results for corresponding reaction channels, and the arrow indicates the nominal position of the Coulomb barrier,which is approximately 35.4 MeV[38]

對(duì)質(zhì)子暈核8B+120Sn 體系，在近壘開展了38.7 MeV 和46.1 MeV 兩個(gè)能點(diǎn)的測(cè)量［40］。該體系反應(yīng)產(chǎn)物相對(duì)較輕，使用硅探測(cè)器組成的望遠(yuǎn)鏡即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的鑒別。為了進(jìn)一步提高探測(cè)效率，從而實(shí)現(xiàn)破裂產(chǎn)物的符合測(cè)量，設(shè)計(jì)了由10組硅望遠(yuǎn)鏡組成的探測(cè)器陣列（Silicon Telescope Array for Reactions induced by Exotic nuclei，STARE）［41］。該陣列結(jié)構(gòu)緊湊，立體角覆蓋達(dá)到了40% 4π?；诖岁嚵?，首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子暈核8B 破裂碎片的關(guān)聯(lián)測(cè)量。破裂反應(yīng)角分布表明，彈性破裂是產(chǎn)生7Be 的主要機(jī)制，給出了破裂是主要直接反應(yīng)過程的確切證據(jù)。同時(shí)，通過破裂碎片的能量關(guān)聯(lián)和角度關(guān)聯(lián)（圖12），重構(gòu)了完整的破裂過程。數(shù)據(jù)分析方面，基于三體的連續(xù)態(tài)離散化耦合道計(jì)算（Continuum-Discretized Coupled Channels，CDCC）結(jié)合馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法，實(shí)現(xiàn)了破裂及連續(xù)態(tài)耦合效應(yīng)的微觀描述。結(jié)果表明：8B 通過1+共振態(tài)破裂只占總破裂截面的4%；8B 的破裂是以出射道的瞬時(shí)破裂為主。

圖12 8B+120Sn體系在38.7 MeV入射能量下由破裂碎片關(guān)聯(lián)信息重構(gòu)的相對(duì)動(dòng)能譜(a)和角關(guān)聯(lián)譜(b)[37]圓圈為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，(a)中實(shí)線和虛線分別為CDCC和1+共振態(tài)的模擬結(jié)果，(b)中正方形為模擬結(jié)果，實(shí)線為1+共振態(tài)成分的計(jì)算結(jié)果Fig.12 Measured relative energy (Erel) distribution (a) and angular correlation (b) for breakup fragments 7Be and p from the 8B+120Sn system at 38.7 MeV: circles denote the experimental data, the solid and dashed curves in panel (a)represent the simulated distributions of Erel and the contribution of the p-wave 1+ state; the squares in panel (b) show the simulation results, and the solid curve denotes the expected βθ12 correlation assuming asymptotic breakup from the 1+resonance of 8B[37]

4 總結(jié)與展望

近40 年來，原子能院核反應(yīng)團(tuán)隊(duì)在重離子熔合-裂變機(jī)制、壘下熔合增強(qiáng)機(jī)制、奇特核反應(yīng)機(jī)制、奇異結(jié)構(gòu)和奇異衰變方面取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。將來，除了繼續(xù)深入現(xiàn)有的研究?jī)?nèi)容外，還要繼續(xù)開拓新的研究方向。例如，基于正在建設(shè)的重離子飛行時(shí)間譜儀（Heavy-ion Time of Flight，HiTOF）開展多核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制研究，為合成超重元素提供新思路和新途徑；另一方面，依托新近建成的北京放射性束流裝置（Beijing Radioactive Ion beam Facility，BRIF），開展不穩(wěn)定核的反應(yīng)機(jī)制和奇異結(jié)構(gòu)研究。

作者貢獻(xiàn)聲明楊磊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和文章撰寫；林承鍵、賈會(huì)明、馬南茹和溫培威提供了相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果圖；楊峰和張煥喬對(duì)文章成文提供了指導(dǎo)。所有作者對(duì)文章進(jìn)行了審閱和修改。