原子核电荷的改变反应截面测量和电荷半径分析

李丹

（新疆水利水电学校,新疆 乌鲁木齐 830013）

当前,在核技术应用的过程中,其发展状况不仅影响着世界各国的经济发展和科技进步,甚至已经发展成为了世界各国发展中尤其关注的重要内容。因此,目前各国对原子核的相关研究重视程度很高。要想更好的认识原子核,必须要把握住反应探索和结构问题这一个重要途径。随着当前物理试验的设备不断更新和探究的测量方式与手段不断进步的前提下,在对原子核有充分和完整的认识之后,人们将研究的重点放在了对原子核电荷半径的测量上。在对原子核的电荷半径进行探究的时候,为了更好的掌握原子核电荷半径的相关内容,主要从原子核电荷半径的公式方面进行相关的探讨[1]。

1 原子核电荷半径的概述

一般情况下,要想准确的表示出原子核的大小,核半径是最为常见的,当然也有其他的表示方式,如通过基本粒子、核子、不同质量的原子核等与等待被进一步研究原子核的碰撞来表示。由于相互作用模式的不同,核半径的许多定义都得到了推广。近年来,关于原子核电荷半径的实验越来越多,这使得原子核电荷半径的相关实验数据积累的越来越多。根据相关实验的研究结果可知,原子核电荷半径受到很多因素的影响,加上需要考虑的参数越来越多,需要用更加准确的公式来对其进行更加准确的描述。要想了解电荷改变反应截面,就要了解晕核。本身研究晕核的实验难度并不高,但是其起到了很好的推动作用,为与此相关的研究也为了解核清区的核结构提供了有价值的信息,从而引出对放射性核结构的详细研究。

2 相互作用截面和电荷改变反应截面的工作原理

在高精度状态下,对原子核的相互作用截面进行测量,不仅有助于研究与之相对应的物质分布半径,对于研究核物理这个研究方向也有重要的帮助。根据对相互作用截面和电荷改变反应截面的相关研究的了解可知,目前已经将研究的重点放在了探究轻核区的核结构和放射性的核结构提供了宝贵的资料。之所以对相互作用截面进行研究,是因为其和原子核电荷改变界面测量原理有一定的相似性,即两者都属于积分截面当中的一种,两者之间的差值能够形成另外一个截面。研究电荷改变反应截面测量的一个重要原因,就是为了对宇宙射线在银河系中的传播时次级核产生的过程进行很好的解释。为了对电荷改变反应截面有更加完整和系统的理解,不仅要掌握理论层面的知识,还要借助实验进行深入的探索。

对原子核的电荷改变反应截面理论层面知识的介绍,主要是对其原理的分析,具体如图1 所示。为了保证达到理论层面的核反应粒子数目小于入射粒子数目20%的要求,不仅将反应靶后探测器应用其中,还充分发挥了仪器本身的优势,从而为该实验提供了足够的条件。同时,在实际测量原子核电荷改变反应截面的时候,还应用了透射法进行测量,能够起到有效的降低实验难度过高的作用[3]。通过透射法对相互作用截面的原理进行测量,不仅使测量的精度得到了有效的保证,还使束流的利用效率大大提升。

图1 原子核电荷改变界面测量原理图

原子核电荷变化反应截面的测量中实验产物中的电荷量Z 的状况,如图2 所示[4]。基于对相关内容的研究和探讨中的相互作用状况,由此看来,电荷变化反应截面能够反映质子密度分布信息。

图2 Kr 和Sm 同位链的核电荷半径（其中,圆心表示实验值）

3 基于HIRFL 装置的电荷改变反应

通过当前对电荷改变反应的研究可知,我国对放射性束流线和相关加速器装置的研究已经取得了相应的成果。现阶段,世界范围对能够提供300 MeV/nucleon 能区的放射性束流线的研究占比相当少,但是在不断的努力下,兰州重离子加速器研究装置的RIBLL2 束流线是其中之一,如图3 所示。

图3 电荷改变反应截面测量装置

针对RIBLL2 的状况,对相对论能区分电荷改变反应截面测量的相关工作进行了进一步的研究。由于该装置的电荷改变反应实验具有一定的复杂性,需要耗费大量的时间,根据相关观察可知,后续的实验时间内研究的重点主要放在了对飞行时间探测器、多采样气体电离室以及位置灵敏探测器等进行了持续不断的研制和测试上。最终得出了结论,即在系统优化匹配塑料闪烁体与光电倍增管间之后,达到了提高闪烁光子的收集与传输, 并且成功研发了小尺寸的时间拾取探测器, 得到的最优本征时间分辨本领为5.1 ps(σ),达到了国际同类探测器的最高时间分辨的高度,并且研制的50 mm×50 mm×3 mm时间拾取探测器本征时间分辨达到了27 ps(σ),甚至发展成为了实验平台用的飞行时间终点探测器[6]。在探测器得到优化的基础上,我国相关的物理研究所团队对次级束粒子鉴别系统进行了搭建,其主要目的是为了推动电荷改变反应截面测量平台的建设的顺利进行。

虽然为了便于对电荷改变反应截面测量进行研究,构建了相关的平台,但是该平台在当前的应用十分有限,截止到目前为止该平台仅仅开展了在300 MeV/nucleon能区开展了两次实验。由于受到各种客观因素的影响,使得束流条件不能够满足实际的实验需求,这样一来远离稳定线的中子核还和理想统计之间的差距仍然得不到弥补,导致在实际的研究当中仍然不够完善和科学。从图4汇总的60 个次级束核素中可以看出,其中30 个左右的核素处于统计较好的状态,并且有可能获取这些核素的电荷半径。从图中原子核的分布状况来看,其主要围绕着β 稳定线附近分布,并且在N=Z 线的右边,这些数据使Z＜20 的原子核在C 靶上的电荷改变反应截面数据得到了丰富,能够为300 MeV/nucleon 能区电荷改变反应截面的系统演化状况奠定重要的基础[7]。

图4 实验当中鉴别核素的汇总情况

根据图5 可知,在总结了部分稳定原子核（12-14C、14-15N和17-18O）的电荷改变反应截面数据的情况下,通过将其和已知电荷半径的对比可知,数据之间具有相当高的关联性。但是,在除15N 和17O 上表现出了和其他原子核具有较大差异的特点,使得系统评估提取电荷半径方法的不确定性增加。从当下的研究现状上来看,要想推动研究取得更深一步的进展,就要在实验数据的统计量方面下功夫。

图5 汇总之后的部分稳定原子核（12-14C、14-15N 和17-18O）的电荷改变反应截面趋势图

4 借助公式对原子核电荷的电荷半径进行深入的分析

对原子核电荷半径的分析主要借助的是经验公式,其中包括单参数公式、两参数公式、三参数公式、四参数公式和五参数公式。

根据单参数公式RC=ROA1/3可知,得出的相关参数不是很准确,其中存在着比较大的缺陷。但是单参数公式具备线性相关性的优点,使其能够将数据的分布情况展现出来。另外一个比较准确的Z1/3律的单参数公式RC=ROZ1/3,由于其σ 值和之前的式子相比较而言存在明显减小的情况,这说明当前的式子更加准确,也意味着原子核电荷半径中的Z1/3律和A1/3律相比较而言,Z1/3律更加和真实值贴近。

对原子核电荷半径进行精准的计算存在一定的难度,也是当前进行研究的一项难题。

5 研究的未来方向和趋势

依据束流能量、反应靶和待研究的原子核质量数等都能够对电荷改变反应截面数据进行分类,在这种状况下要想增强对核反应截面系统性的理解,对相关数据的测量是相当有必要的。但是,从整体的试验研究过程当中来看,其中还存在很多比较显著的问题,如统计数据比较匮乏,这在不稳定原子核的数据中表现的格外明显。与此同时,针对不同实验组对同一系统测量结果存在很大差异的状况,需要在短时间内找到独立性强且精准度高的测量数据作为支撑。基于这种状况,HIRFL 为其提供了一个全新和系统性的电荷改变反应截面测量平台。在深入探究和分析新实验终端建设和新型实验靶的基础上,致力于不稳定原子核反应截面方面的研究,希望能够做出一系列有实用性的突破。目前,试验方面的研究方向也已经发生了明显的变化,将在建HIAF 项目当中的高精度截面测量作为研究奇特原子核电荷半径的方向。在研究计划当中,以求探索电荷改变反应截面和反应截面的同时测量以及H 靶上的截面测量等方面的重要内容[8]。基于当下对原子核、核能和核技术的研究可知,在未来发展趋势当中,面向国内下一代放射性核束装置的研究有可能会成为研究的新内容。

6 结论

通过对大量研究的分析和探讨可知,远离稳定线的原子和稳定的原子核之间可能在奇特结构和性质上存在不同,需要通过大量的物理实验对其进行综合性的分析,并且在理论上进行相关模型的解析。随着对电荷改变反应和原子核电荷半径精确度的不断研究,目前已经形成了原子核中质子分布的可行性探索方案,为研究中子皮厚度和晕核以及精准的原子核电荷半径等提供了重要的支持。