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17F+p 彈性共振散射的厚靶實驗與分析
摘 要：利用17F 次級束轟擊 (CH2)n 厚靶，通過17F+p 彈性道布居18Ne 質子發射閾之上的能級，得到了Ec.m.=0.5~1.7 MeV 區間彈性共振散射1H(17F, p)17F 的激發函數。利用R-矩陣理論程序MULTI7 對實驗的激發函數進行分析，導出了18Ne 能級的質子寬度等信息。
關鍵字：18Ne 能級；彈性共振散射；激發函數；厚靶技術
1 引 言
目前的星體演化理論認為，宇宙中比氫和氦更重的元素基本上是在恒星的演化過程中合成的。初始質量不同的恒星所經歷的演化階段大不相同，因此所涉及的核合成路徑以及元素豐度等都有很大的差別[1]。一些大質量的恒星，在其演化的末端，溫度和密度等很快上升，進入爆發性燃燒階段，如快速的質子俘獲過程(rp-過程)等[2,3]，其突出特點是在很短的時間尺度內釋放出大量的能量，如X 射線爆等。由于這個演化階段很短，核合成主要是在遠離穩定線的核區范圍內展開。14O(α, p)17F 和17F(p, γ)18Ne 是高溫CNO 循環泄露到rp-過程的兩個關鍵反應。當溫度、密度條件滿足T9 > 0.4，ρ > 105 g/cm3 時，等待點上的α 俘獲將迅速超越其自身的β 衰變，經14O(α, p)17F(p, γ)18Ne(α, p)21Na 等反應快速過渡到rp-過程。X 射線爆模型計算給出，從14O(α, p)17F 開始，在10 s ~ 100 s 之內即能合成到甚至更重元素[3]。因此，涉及18Ne 相關能級的信息對精確驗算14O(α, p)17F，17F(p, γ乃至其它后續反應的反應率具有至關重要的意義。
近年來，次級束的厚靶實驗方法在國際上頗受重視。該方法的優點是在次級束流強相對較弱的情況下，采用單一能量點的次級束入射，可以一次得到較大能量范圍的激發函數[5]。
近年來該實驗方法在質量較輕的豐質子核區已得到廣泛應用[6-8]，其可靠性和有效性得到了大量驗證，成為不穩定核反應研究中頗受關注的新方向。自2005 年起，我們陸續開展了，13N+p 以及17F+p 等彈性共振散射的厚靶實驗研究[9-11]。其中17F+p 彈性共振散射的部分結果已在文獻[12,13]中有所報道，本文將著重介紹前文未深入涉及的實驗和數據分析環節。
2 實驗方法
2.1 17F次級束
在 HI-13 串列加速器的次級放射性核束裝置上[14]，利用96 MeV 的16O 束轟擊長度為，壓強為1.5 atm的氘氣靶，通過16O(d, n)17F 反應產生17F。氘氣靶的前后窗均為的 Havar 膜。17F 粒子經二極磁鐵和四極透鏡分離聚焦后進入下游的速度選擇器進一步純化。
次級束的二維粒子鑒別譜如圖1 所示。除17F 外，次級束中還包含少量16O，14N 和12C
2.2 實驗設計
反應靶室內的探測器設置如圖2 所示。17F 次級束經φ 9?φ 5 mm 準直器準直以減小束斑尺寸。經準直后次級束的流強約6000 pps，其中17F 的純度好于70%。在反應靶前，用一塊厚度為13.2 μm 的面壘型硅探測器甄別并記錄17F 次級束。此外，在靶架上還安裝了一塊厚度為300 μm 的硅探測器。調束時與前面的面壘型硅探測器一道組成ΔE-E 系統。 中的右上方給出了ΔE 的單維譜，其中的陰影區是將17F 從二維譜上卡窗投影到ΔE 的結果。兩者的峰型和峰面積基本吻合，表明在ΔE 單譜上17F 峰附近的雜質含量較少，可以近似認為ΔE 單維譜后一個計數峰即代表著17F。
實驗所使用的(CH2)n 靶的厚度為6.0 mg/cm2，用于本底測量的純碳靶厚度為7.6 mg/cm2，兩者都可以完全阻止入射的17F 粒子。在考慮反應運動學及能量損失后，計算出打到靶上的能量為55.5±1.2 MeV。在反應靶的下游，我們選用了一套由63 μm 的16×16 路雙面硅條探測器(DSSSD)和982 μm的四象限硅探測器(MSQ)組成的ΔE-E 系統測量出射的輕粒子產物。兩者的有效探測面積均為50 mm×50 mm。由于次級束中包含少量較高能量的16O 可以透射(CH2)n 反應靶，我們將ΔE-E 探測器組合放置于實驗室系15°角，以避免泄露成分的直接輻照。
其中：d0 為靶中心到DSSSD 中心的距離:155.4 mm；x，y 是以DSSSD 的幾何中心為坐標原點，各個方格單元所對應的坐標值；以靶到DSSSD 中心軸為界，靠近束流方向取“+”，反之取“－”。利用(1)式計算得到探測器在實驗室系覆蓋的角度范圍為5°~25°。對于1H(17F, p)17F 散射，對應的質心系角度θc.m.=180°－2θlab=130°~170°。在實驗的前后，我們用兩套α 標準源對 DSSSD 和MSQ 探測器分別做了刻度。這兩套源及其能量分別為148Gd 單能源 (3.183 MeV)、239Pu-241Am 混合源(5.157 MeV, 5.486 MeV)，另外還用精密脈沖產生器校驗了電子學的線性，同時交叉檢驗了刻度源的能量。
2.3 雙面硅條探測器
雙面硅條探測器一般由正反各若干的獨立條構成，在空間結構上就形成眾多個相對獨立的單元。這樣的布局使得探測器的顆粒度大幅度降低，有效地提高了空間分辨。因此特別適用于超重核鑒別，雙質子發射等[15]。此外，因為成熟的半導體工藝，DSSSD 的厚度可以從幾十微米到毫米不等。對于厚靶實驗，需探測的質子能量一般從數百keV 到十幾MeV，并需要精確的位置信息和粒子分辨能力，因此幾十微米厚度的DSSSD 無疑是充作望遠鏡探測系統中ΔE 路的首選。
從 DSSSD 制作工藝來看[16]，其各條之間并不是“物理絕緣”。因此，當粒子入射到兩條之間的分隔部分上時，相鄰兩條都將有感應脈沖輸出，習慣上將這一現象稱為“cross-talk”。例如用α源刻度DSSSD時。，“cross-talk”占兩相鄰條平均計數的1.5%左右，與分割部分和關聯獨立條的面積比(1.7%)基本一致。如果以條為單位對DSSSD 進行精確刻度，然后對各獨立條求和。從中可以看到，采用幅度求和的辦法，可以將“cross-talk”事件還原。需要留意的是，如某一條或幾條噪聲幅度較大，則噪聲疊加到真實信號上會使譜形失真，如圖中箭頭所指的部分。此種情況下，也可以在舍棄“cross-talk”事件真實幅度的基礎，始終挑選信號幅度最大的條輸出作為DSSSD 的真實值，由于噪聲幅度一般都遠小于真實信號幅度，所以這樣操作又可以一定程度上避免對噪聲的疊加。
3 數據處理
3.1 運動學重構
由于束流在厚靶中連續損失能量，任一出射角的粒子能譜都是連續分布的。同時由于探測器覆蓋的角度范圍較大，因此逐角度的運動學重構是數據分析的關鍵。在1H(17F, p)17F 反應點處，容易得到質子能量與質心系能量的關系滿足其中，m1 和m17 分別代表質子和17F 的質量。這里Ep=ΔEp+Et，即實際探測到的質子能量Et 與質子在靶中的能量損失ΔEp 之和。
結合反應運動學和能量損失，并考慮17F 次級束的能量歧離(±1.5 MeV)、角度歧離(±°)，逐角度對厚靶的1H(17F, p)17F 運動學過程進行了Monte Carlo 模擬。作為一個例子，θlab=10.5°出射質子在靶中的能量損失ΔEp 和探測器實際探測的能量Et 的關系。可以看到二者的不確定性隨質子能量減小而顯著增大，因此很難找到能精確反映ΔEp 和的函數關系。圖4 中的實線代表一個能大致反映整體趨勢的擬合關系，但精確度只有0.83。
此外如果直接考慮Ec.m.對Et 的依賴關系，如圖5 所示。可以看到在Ec.m. > 0.4 MeV 的情況下，和Ec.m. 基本呈線性關系，擬合的精確度可達0.99。
3.2 本底扣除
為了得到質子的凈產額，需要扣除(CH2)n 靶中C 原子上所產生的本底事件。需要考慮兩個因素：一是(CH2)n 與C 輪的 17F 粒子總數；其次是相同Ec.m.能量間隔內，(CH2)n 與C 靶中原子數目的比例關系。后者可通過計算17F 相同Ec.m.能量間隔內在二者中的射程差而得到的有效靶厚中得出[18]。此外對于(CH2)n 靶，通過M-C 模擬得到Ec.m.與反應靶厚的實際關系，利用擬合的辦法得出它們之間的函數關系，據此計算出每個Ec.m.點的對應靶厚。
我們將計算射程差的辦法與M-C 模擬的辦法得出的有效靶厚作了對比，相互之間的平均偏差約1.5%，因此采取計算射程差的辦法理應可行。，實線是R-矩陣理論程序MULTI7[19]的擬合計算結果。在范圍內出現的空隙是由DSSSD 和MSQ 之間的“死層”引起的。圖中給出的誤差來源于兩方面：統計誤差和系統誤差。后者由束流歸一(3%)和探測器立體角的不確定性引入，但相對統計誤差影響較小。從圖7 可以看到，在Ec.m.=0.60 MeV 和處出現共振峰，分別對應于18Ne Ex=4.52 MeV(Jπ=3+)和Ex=5.11 MeV(Jπ兩條能級。根據R-矩陣擬合計算的結果，這兩條激發態的質子衰變寬度分別為18(2) keV、，與Gómez del Campo 等人的結果[20]一致。
3.3 總結與討論
我們用厚靶方法對17F+p 彈性共振散射進行了測量，觀測到了18Ne 質子分離閾上的兩條能級，給出了激發能、質子寬度等信息。
激發函數測量是獲得復合核的能級結構和性質的一個有效實驗手段。在核天體物理領域，氫、氦等各種不同的燃燒過程是星體演化、元素合成的主導機制，因此有大量(p,γ)，(α,γ和(α,p)反應亟待研究。由于天體物理感興趣的能區很低，復合核粒子發射閾附近的能級就尤為重要。這無疑是極具挑戰性的一類實驗，對于入射道包含不穩定核的體系，實驗難度更大。
在后加速的高品質放射性束成為現實之前，利用厚靶技術開展彈性共振散射類的實驗，以最大可能地了解感興趣的能級性質無疑是有積極意義的。
由于厚靶實驗的特點，解譜環節尤為關鍵。借助于M-C 模擬，可以最大可能地實現逐角度的反應運動學重構。從模擬中可以看到，由于采用逆運動學，實驗探測到的質子能量與質心系能量之間有大約4 倍的放大關系，因此質子能量分辨的影響也相應縮小。除統計誤差外，主要的不確定性來源于重粒子的射程誤差，及在其射程末端所產生的角度岐離和能量岐離等。
4 致謝
感謝 ΗΙ-13 串列加速器運行人員在實驗過程中給予的幫助。
文章來自應屆畢業生論文網，本論文網提供碩士畢業論文，如需轉載保留一個鏈接：http://www.ruiwen.com/lunwen
參考文獻
王友寶,王寶祥,白希祥,等. 彈性共振散射反應的厚靶實驗設計[J]. 高能物理與核物理,2006, 30(增刊Ⅱβ
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