原子核電荷的改變反應截面測量和電荷半徑分析

李丹

（新疆水利水電學校,新疆 烏魯木齊 830013）

當前,在核技術應用的過程中,其發展狀況不僅影響著世界各國的經濟發展和科技進步,甚至已經發展成為了世界各國發展中尤其關注的重要內容。因此,目前各國對原子核的相關研究重視程度很高。要想更好的認識原子核,必須要把握住反應探索和結構問題這一個重要途徑。隨著當前物理試驗的設備不斷更新和探究的測量方式與手段不斷進步的前提下,在對原子核有充分和完整的認識之后,人們將研究的重點放在了對原子核電荷半徑的測量上。在對原子核的電荷半徑進行探究的時候,為了更好的掌握原子核電荷半徑的相關內容,主要從原子核電荷半徑的公式方面進行相關的探討[1]。

1 原子核電荷半徑的概述

一般情況下,要想準確的表示出原子核的大小,核半徑是最為常見的,當然也有其他的表示方式,如通過基本粒子、核子、不同質量的原子核等與等待被進一步研究原子核的碰撞來表示。由于相互作用模式的不同,核半徑的許多定義都得到了推廣。近年來,關于原子核電荷半徑的實驗越來越多,這使得原子核電荷半徑的相關實驗數據積累的越來越多。根據相關實驗的研究結果可知,原子核電荷半徑受到很多因素的影響,加上需要考慮的參數越來越多,需要用更加準確的公式來對其進行更加準確的描述。要想了解電荷改變反應截面,就要了解暈核。本身研究暈核的實驗難度并不高,但是其起到了很好的推動作用,為與此相關的研究也為了解核清區的核結構提供了有價值的信息,從而引出對放射性核結構的詳細研究。

2 相互作用截面和電荷改變反應截面的工作原理

在高精度狀態下,對原子核的相互作用截面進行測量,不僅有助于研究與之相對應的物質分布半徑,對于研究核物理這個研究方向也有重要的幫助。根據對相互作用截面和電荷改變反應截面的相關研究的了解可知,目前已經將研究的重點放在了探究輕核區的核結構和放射性的核結構提供了寶貴的資料。之所以對相互作用截面進行研究,是因為其和原子核電荷改變界面測量原理有一定的相似性,即兩者都屬于積分截面當中的一種,兩者之間的差值能夠形成另外一個截面。研究電荷改變反應截面測量的一個重要原因,就是為了對宇宙射線在銀河系中的傳播時次級核產生的過程進行很好的解釋。為了對電荷改變反應截面有更加完整和系統的理解,不僅要掌握理論層面的知識,還要借助實驗進行深入的探索。

對原子核的電荷改變反應截面理論層面知識的介紹,主要是對其原理的分析,具體如圖1 所示。為了保證達到理論層面的核反應粒子數目小于入射粒子數目20%的要求,不僅將反應靶后探測器應用其中,還充分發揮了儀器本身的優勢,從而為該實驗提供了足夠的條件。同時,在實際測量原子核電荷改變反應截面的時候,還應用了透射法進行測量,能夠起到有效的降低實驗難度過高的作用[3]。通過透射法對相互作用截面的原理進行測量,不僅使測量的精度得到了有效的保證,還使束流的利用效率大大提升。

圖1 原子核電荷改變界面測量原理圖

原子核電荷變化反應截面的測量中實驗產物中的電荷量Z 的狀況,如圖2 所示[4]。基于對相關內容的研究和探討中的相互作用狀況,由此看來,電荷變化反應截面能夠反映質子密度分布信息。

圖2 Kr 和Sm 同位鏈的核電荷半徑（其中,圓心表示實驗值）

3 基于HIRFL 裝置的電荷改變反應

通過當前對電荷改變反應的研究可知,我國對放射性束流線和相關加速器裝置的研究已經取得了相應的成果。現階段,世界范圍對能夠提供300 MeV/nucleon 能區的放射性束流線的研究占比相當少,但是在不斷的努力下,蘭州重離子加速器研究裝置的RIBLL2 束流線是其中之一,如圖3 所示。

圖3 電荷改變反應截面測量裝置

針對RIBLL2 的狀況,對相對論能區分電荷改變反應截面測量的相關工作進行了進一步的研究。由于該裝置的電荷改變反應實驗具有一定的復雜性,需要耗費大量的時間,根據相關觀察可知,后續的實驗時間內研究的重點主要放在了對飛行時間探測器、多采樣氣體電離室以及位置靈敏探測器等進行了持續不斷的研制和測試上。最終得出了結論,即在系統優化匹配塑料閃爍體與光電倍增管間之后,達到了提高閃爍光子的收集與傳輸, 并且成功研發了小尺寸的時間拾取探測器, 得到的最優本征時間分辨本領為5.1 ps(σ),達到了國際同類探測器的最高時間分辨的高度,并且研制的50 mm×50 mm×3 mm時間拾取探測器本征時間分辨達到了27 ps(σ),甚至發展成為了實驗平臺用的飛行時間終點探測器[6]。在探測器得到優化的基礎上,我國相關的物理研究所團隊對次級束粒子鑒別系統進行了搭建,其主要目的是為了推動電荷改變反應截面測量平臺的建設的順利進行。

雖然為了便于對電荷改變反應截面測量進行研究,構建了相關的平臺,但是該平臺在當前的應用十分有限,截止到目前為止該平臺僅僅開展了在300 MeV/nucleon能區開展了兩次實驗。由于受到各種客觀因素的影響,使得束流條件不能夠滿足實際的實驗需求,這樣一來遠離穩定線的中子核還和理想統計之間的差距仍然得不到彌補,導致在實際的研究當中仍然不夠完善和科學。從圖4匯總的60 個次級束核素中可以看出,其中30 個左右的核素處于統計較好的狀態,并且有可能獲取這些核素的電荷半徑。從圖中原子核的分布狀況來看,其主要圍繞著β 穩定線附近分布,并且在N=Z 線的右邊,這些數據使Z＜20 的原子核在C 靶上的電荷改變反應截面數據得到了豐富,能夠為300 MeV/nucleon 能區電荷改變反應截面的系統演化狀況奠定重要的基礎[7]。

圖4 實驗當中鑒別核素的匯總情況

根據圖5 可知,在總結了部分穩定原子核（12-14C、14-15N和17-18O）的電荷改變反應截面數據的情況下,通過將其和已知電荷半徑的對比可知,數據之間具有相當高的關聯性。但是,在除15N 和17O 上表現出了和其他原子核具有較大差異的特點,使得系統評估提取電荷半徑方法的不確定性增加。從當下的研究現狀上來看,要想推動研究取得更深一步的進展,就要在實驗數據的統計量方面下功夫。

圖5 匯總之后的部分穩定原子核（12-14C、14-15N 和17-18O）的電荷改變反應截面趨勢圖

4 借助公式對原子核電荷的電荷半徑進行深入的分析

對原子核電荷半徑的分析主要借助的是經驗公式,其中包括單參數公式、兩參數公式、三參數公式、四參數公式和五參數公式。

根據單參數公式RC=ROA1/3可知,得出的相關參數不是很準確,其中存在著比較大的缺陷。但是單參數公式具備線性相關性的優點,使其能夠將數據的分布情況展現出來。另外一個比較準確的Z1/3律的單參數公式RC=ROZ1/3,由于其σ 值和之前的式子相比較而言存在明顯減小的情況,這說明當前的式子更加準確,也意味著原子核電荷半徑中的Z1/3律和A1/3律相比較而言,Z1/3律更加和真實值貼近。

對原子核電荷半徑進行精準的計算存在一定的難度,也是當前進行研究的一項難題。

5 研究的未來方向和趨勢

依據束流能量、反應靶和待研究的原子核質量數等都能夠對電荷改變反應截面數據進行分類,在這種狀況下要想增強對核反應截面系統性的理解,對相關數據的測量是相當有必要的。但是,從整體的試驗研究過程當中來看,其中還存在很多比較顯著的問題,如統計數據比較匱乏,這在不穩定原子核的數據中表現的格外明顯。與此同時,針對不同實驗組對同一系統測量結果存在很大差異的狀況,需要在短時間內找到獨立性強且精準度高的測量數據作為支撐。基于這種狀況,HIRFL 為其提供了一個全新和系統性的電荷改變反應截面測量平臺。在深入探究和分析新實驗終端建設和新型實驗靶的基礎上,致力于不穩定原子核反應截面方面的研究,希望能夠做出一系列有實用性的突破。目前,試驗方面的研究方向也已經發生了明顯的變化,將在建HIAF 項目當中的高精度截面測量作為研究奇特原子核電荷半徑的方向。在研究計劃當中,以求探索電荷改變反應截面和反應截面的同時測量以及H 靶上的截面測量等方面的重要內容[8]。基于當下對原子核、核能和核技術的研究可知,在未來發展趨勢當中,面向國內下一代放射性核束裝置的研究有可能會成為研究的新內容。

6 結論

通過對大量研究的分析和探討可知,遠離穩定線的原子和穩定的原子核之間可能在奇特結構和性質上存在不同,需要通過大量的物理實驗對其進行綜合性的分析,并且在理論上進行相關模型的解析。隨著對電荷改變反應和原子核電荷半徑精確度的不斷研究,目前已經形成了原子核中質子分布的可行性探索方案,為研究中子皮厚度和暈核以及精準的原子核電荷半徑等提供了重要的支持。