22Na次级束的产生与应用

金孙均，王友宝，苏 俊，颜胜权，李云居，郭 冰，李志宏，曾 晟，连 钢，白希祥，柳卫平，山口英齐，久保野茂，胡 钧,4，D. Kahl，郑孝顺，文俊永，寺西高，王宏伟，石山博信，岩佐直人，小松原哲郎，李二涛，张 健

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413；3.东京大学 核研究中心，埼玉 351-0198，日本；4.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；5.中央大学 物理系，首尔 156-756，韩国；6.九州大学 物理系，福冈 812-8581，日本；7.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800；8.高能加速器研究机构，茨城 305-0801，日本；9.东北大学 物理系，宫城 980-8578，日本；10.筑波大学 物理系，茨城 305-8571，日本；11.深圳大学 物理科学与技术学院，深圳 518060)

22Na是重要的宇宙γ射线发射体，在γ射线天文学上受到广泛关注。一些天体模型预言在新星及超新星爆发阶段会合成大量的22Na。因为22Na半衰期较短(2.6 a)，其衰变所产生的1.275 MeV伽马射线可用作甄别新星和超新星爆发的灵敏探针[1]，这也有力推动了星载伽马射线探测装置的建设与发射升空。如美国航空航天局(NASA)的康普顿伽马射线天文台(CGRO)[2]于1991年由亚特兰蒂斯号航天飞机送入地球轨道；而欧洲航天局(ESA)也于2002年成功发射了国际伽马射线天文观测站(INTEGRAL)[3]。

22Na还与核天体物理著名的22Ne丰度异常有关。1972年，Black[4]发现在一类低密度的碳粒陨石中，22Ne的丰度较地球上的约高2个量级，很明显是由22Na衰变而来的。22Na经NeNa-MgAl反应链与另一重要的宇宙γ射线发射体26Al相连。INTEGRAL实验在银河系发现了约2.8个太阳质量的26Al，并由此推断银河系中核芯塌缩型超新星爆发的频度约为每世纪1.9次[5]。对于22Na，CGRO实验曾对银盘上的5个新星事件进行过观测，受制于当时所用的探测器能量分辨，未能清晰鉴别出22Na衰变所产生的1.275 MeV伽马射线，只得到了1个新星喷发介质中22Na丰度的上限值[6]。

22Na(p,γ)23Mg、22Na(α,p)25Mg(p,γ)26Al以及22Na(α,γ)26Al等反应都对消灭22Na起重要作用，后两个甚至可能将22Na转化成26Al[7]。虽有实验室用注入靶的方法测量了22Na(p,γ)23Mg反应的共振强度[8]，但对于22Na+α反应体系，尚未有类似的实验测量见报导。为研究与22Na+α反应体系相关的26Al共振态，本文在日本东京大学的CRIB次级束装置上产生高品质的22Na次级束，并利用逆运动学厚靶实验方法对22Na+α共振散射开展初步研究。

1 22Na次级束的产生

图1 CRIB次级束装置的平面图

实验是在日本东京大学核研究中心(CNS)的低能放射性离子束分离器(CRIB)上开展的。CRIB装置位于日本理化学研究所的放射性离子束工厂(RIBF)的E7大厅。CRIB是一在线分离型低能次级束装置[9]，其平面图如图1所示。CRIB大致可分为4个部分：1) F0处的初级反应靶室，其中的气体靶长度为80 mm，前后窗均用厚度为2.5 μm的Havar膜密封。为提高次级束的产额，用液氮将气体靶冷却至90 K，使气体的有效厚度提高3～4倍[10]。2) 一套满足双消色差、等时性的次级束分离传输系统(包含Q1、M1、D1、Q2、D2、M2、Q3)。3) 速度选择器(包含Q4、Q5、E×B、Q6、Q7)。4) F3测量靶室，用于开展次级束物理实验。Q、M、D、F分别代表四极聚焦透镜、多极修正磁铁、二级偏转磁铁、聚焦平面。此外，F1、F2和F3聚焦平面处均装有狭缝仪，可用于次级束的调节和优化。

用1H(22Ne，22Na)n电荷交换反应产生22Na，22Ne7+初级束的能量为6.0 AMeV。F0气体靶中充入53.33 kPa的1H2气体，用液氮将其冷却到约90 K，由此得到1H2的质量厚度约为1.15 mg/cm2。从F0气体靶中出射的次级粒子除22Na外，还有其他杂质成分。二级偏转磁铁的作用是按磁刚度(Bρ)选择带电粒子，即：

(1)

其中：B为磁感应强度；ρ为粒子偏转半径；m为粒子的质量；v为速度；q为电荷态。F1处设有狭缝，其缝宽Δx与动量接收度Δp/p满足如下关系：

Δx/(Δp/p)=1.6 cm/%

(2)

缝宽Δx与动量接收度Δp/p之比又称为焦平面的动量色散。

2 22Na次级束的纯化

2.1 F2聚焦平面

沿束流的方向，在F2聚焦平面前后分别放置一块平行板雪崩计数器(PPAC)和一块方硅探测器(SSD)。PPAC可给出次级束的束斑大小及位置分布，也可提供定时信号[11]。在计算能损时，PPAC可等效为厚度为13.5 μm的Mylar膜；SSD的厚度约为1 500 μm，用于测量次级束的能量。调束时先根据计算的22Na能量对磁场强度进行初步设置，然后进行逐步优化。在磁刚度Bρ为0.543 7 T·m的条件下，得到的次级束中各成分的出射能量及穿过PPAC后的能量列于表1。

F2聚焦平面处的粒子鉴别谱如图2所示，其中，RF射频信号由AVF加速器提供，周期约60 ns，宽度约2 ns，与PPAC提供的门信号组成飞行时间。从图2中可清晰地看到22Na11+、22Ne10+和22Ne9+等杂质成分。

表1 Bρ=0.543 7 T·m条件下22Na次级束中各成分的能量

图2 F2聚焦平面处的粒子鉴别谱

2.2 F3聚焦平面

在F2聚焦平面得到纯度最好的22Na次级束后，将F2处的PPAC和SSD移开，以78.3 MeV的22Na11+为标准设置速度选择器的电、磁场，对22Na次级束作进一步纯化。速度选择器的工作原理为：

F=qE-qv×B

(3)

其中：F为离子在速度选择器中受到的合力；E为电场强度；v和B分别为速率和磁感应强度。当速度选择器的工作高压设为±50 kV时，下游F3靶室中反应靶处的速度色散为：

Δx/(Δv/v)=2.1 mm/%

(4)

其中：v为22Na11+的速度；Δv为各成分与22Na11+速度之差。按式(4)计算±50 kV高压条件下，22Na次级束中各成分经速度选择器后的水平偏移量，结果列于表2。

经速度选择器提纯后，F3聚焦平面处22Na次级束的粒子鉴别谱如图3所示。次级束的X方向位置信息由F3靶室内的PPAC给出。从图3可清楚看到，次级束中除22Na11+外，仅剩下极少量的22Ne10+，这样就得到能量为(78.3±1.0) MeV、纯度为93%、流强达2.5×105s-1的22Na次级束。

表2 22Na次级束中各成分在F3聚焦平面的水平偏移量

图3 F3聚焦平面处的粒子鉴别谱

3 22Na+α共振散射

26Al的能级性质，特别是α发射阈之上的26Al共振态对于研究22Na(α,p)25Mg及22Na(α,γ)26Al等反应有重要意义。利用常规的核谱学方法如25Mg(α,t)26Al等转移反应，虽能得到26Al不少低激发能级的性质[12]。但对于上述两个反应所涉及的26Al α发射阈之上的高激发态，最直接的手段是22Na+α共振散射。对于流强较弱的放射性核束，利用逆运动学厚靶方法将次级束及较重的产物阻止在反应靶中，在反应靶的下游测量弹性散射等出射的轻粒子；经能量损失及两体反应运动学重构，可一次得到较大能量范围的激发函数。该方法在次级束与质子引起的弹性共振散射研究中已得到广泛应用[13-14]。

利用逆运动学厚靶实验方法，对22Na+α共振散射进行初步测量，实验设置如图4所示。为使22Na完全阻止在气体中，用流气系统将气体靶中的氦气压强维持在(53.33±0.53) kPa，并用(10.67±0.13) kPa的氩气对实验本底进行测量。因为包括22Na在内的较重粒子均被阻止在气体靶中，从气体靶后窗出射的仅质子、α等轻粒子。为实现粒子鉴别，在气体靶的后方安装3组硅探测器望远镜(ST，silicon-detector telescope)。每组硅望远镜均包含1块穿透型的双面硅微条探测器和1、2块方硅探测器，它们的有效面积均为50 mm×50 mm。双面硅微条探测器的厚度约为65 μm左右，方硅探测器的厚度为1.5 mm。图4中位于0°方向的ST1包含2块方硅，后一块方硅是为了反符合去除次级束中可能包含的高能轻粒子。在4 d的束流时间内，3组探测器共累计了约5×104个α事件。

图4 22Na+α共振散射的实验设置

对有效α事件进行两体运动学重构分析，得到22Na+α弹性共振散射的激发函数(不同质心系能量Ecm的截面对立体角的微分)如图5所示。在3组激发函数中，均观测到了明显的共振峰结构。对本实验的激发函数进行R-矩阵理论分析，可导出复合核26Al的α发射阈之上共振态的能量、自旋宇称以及α分宽度等物理信息，这部分的工作目前正在进行中。

图5 22Na+α弹性共振散射的激发函数

4 结果与讨论

在日本东京大学核研究中心的CRIB次级束装置上，利用1H(22Ne,22Na)n反应产生了高品质的22Na次级束。调束过程中先用流强很小的22Ne初级束，对装置上各电磁元件及调束用的探测器进行刻度；然后沿先F2后F3聚焦平面的顺序逐次调试最佳条件，得到纯度好于90%的22Na次级束；最后将初级束的流强提高到约70 nA，使22Na次级束的强度达到2.5×105s-1。调出的22Na次级束已应用于22Na+α共振散射的厚靶实验研究，获得了Ecm=4.0～5.6 MeV区间22Na(α,α)弹性散射的激发函数。

感谢日本东京大学核研究中心和理化学研究所的加速器运行人员对实验的顺利开展所提供的支持和帮助。

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