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放射性核束物理与核天体物理的设备建设

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发布日期:2018-11-12 15:28

   加速器大科学装置是研究核物理科学问题的重要工具。 利用加速器装置提供的不同能量、不同种类、高品质的束流如稳定核束、放射性核束、极化和非极化离子束等开展相关研究, 不断深化着对物质微观结构、宇宙演化和元素起源的认识, 特别是核物理重要前沿领域的研究对加速器大科学装置提出了迫切需求。 放射性核束物理与核天体物理是当今物理学基础研究的重要前沿领域, 其需求是建造大型放射性核束设施的主要推动力。
  在20世纪70, 80年代, 我国选择了中低能重离子物理作为主导发展方向, 建成了兰州重离子加速器HIRFL和北京HI-13串列加速器等一批大装置, 并开展了系列研究工作。 从20世纪90年代开始, 建成了HIRFL-RIBLL和CIAE-GIRAFFE放射性束流线, 特别是兰州的冷却储存环大科学工程HIRFL-CSR已于2008年开始逐步投入使用, 北京放射性核束设施BRIF也进展顺利。 自2000年开始, 放射性核束物理与核天体物理已经得到国家三轮国家重点基础研究发展计划("973"项目)的支持, 还陆续得到若干国家自然科学基金重点项目的支持。  
  2011年, 核天体物理获得了国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金的支持。 2014年,核天体物理项目"基于锦屏深地实验室的核天体物理关键科学问题研究"获得了国家自然科学基金重大项目的支持。 这些大科学装置的建成和重点科研项目的实施, 稳定和发展了一支国内优势的研究队伍, 实验探测设备和理论手段逐步发展完善, 科研水平稳步提升并在若干方面形成了较大的国际影响。
  1 放射性核束物理与核天体物理  
  1.1 放射性核束物理
  自然界稳定的原子核不到300个, 这些原子核基本上都有比较大的结合能(平均每个核子几兆电子伏), 因此可称为深束缚原子核, 它们构成了我们生存环境中所有物质的基础, 也提供了我们利用核能的源泉。 自1896年核科学诞生后直到20世纪80年代初, 人类对原子核的研究主要集中在这些稳定原子核, 目前人们对这些原子核的性质已经有了比较系统的认识。 随着向稳定线两侧扩展, 原子核开始变得不稳定, 其结合能逐渐减小, 寿命逐渐缩短, 直到到达原子核稳定性的极限位置(也称为滴线, 最后一个核子结合能为零)。 图1给出了原子核从稳定线扩展到滴线区的示意图。
  从1985年在美国柏克莱国家实验室的放射性束实验开始, 人类研究的原子核数目迅速扩大, 目前实验上已合成了近3000种。 原子核理论计算推断, 在滴线以内的原子核有8000~10000个, 比稳定核多出数十倍。 接近滴线区的原子核蕴含着丰富的、与稳定原子核不同的现象与规律, 它可以成为弱束缚体系, 体积可以大大扩张(如晕核), 结构形态可以有全新的图像(如松散的集团和分子态), 与连续态可以发生很强的耦合, 有效相互作用的性质也会发生显着变化。 自20世纪80年代中期以来, 这些预言在一些研究中陆续得到证实, 如核子分布的晕结构、壳结构的新幻数、连续态强耦合等, 并观察到奇特原子核的反应截面突变、多反应道耦合、多步过程等新的反应机制和效应。 这些现象预示着在远离稳定线的区域, 原子核的结构和作用方式会发生系统的演变, 并出现以新的结构自由度和新的有效相互作用为表征的新物理。
  但是, 由于放射性核束装置提供不稳定束流的种类和强度的限制, 我们目前达到的核区疆界仅为理论预测的四分之一, 这促使国内外的核物理工作者继续发展新的放射性核束装置并开展研究。
  1.2 核天体物理
  浩瀚无垠的宇宙中无数闪闪发光的恒星都有形成、演化和死亡的过程。 由于恒星内部热核反应释放出来的辐射能量形成向外的压力抗衡引力收缩, 导致恒星的平稳演化过程进行得非常缓慢。 一颗类似太阳的恒星一旦形成, 在大约1010年的时间内不会发生人们可直接观测到的变化。 这些核反应不仅是恒星的能源, 也是宇宙中除氢以外所有元素赖以合成的唯一机制, 在原始大爆炸后最初几分钟至恒星寿命终结的宇宙和天体演化过程中起极为重要的作用。
  核天体物理是研究微观世界的核物理与研究宇观世界的天体物理相融合形成的交叉学科, 其主要研究目标是: 宇宙中各种元素合成的过程、时间、物理环境、天体场所及丰度分布; 核反应(包括带电粒子、中子、光子及中微子引起的反应、衰变及电子俘获)如何控制恒星的演化过程和结局。
  新星、X-射线暴和超新星等爆发性事件中的核合成, 其反应流沿远离稳定线的路径发展, 有大量不稳定核素卷入核燃烧过程。 这些过程发生在高温高密的天体环境中, 反应率高、持续时间短, 主要包括快速质子俘获(rp-)过程、快速中子俘获(r-)过程和p-过程。 上述核合成过程及反应路径示于图2. 在实验室中测量这些重要核过程涉及到大量不稳定核素的结构、反应和衰变特性。 研究上述爆发性天体事件中的核合成是当前核天体物理的极具挑战性的主攻方向,天体中铁以上元素的合成路径被称为是21世纪的十一大科学难题之一。
  自然界的众多宇观核物质体系(如中子星或夸克星), 也都处于同位旋极端不对称状态。 因此放射性核束物理研究与核天体物理研究在学术上形成自然的融合, 相互促进。
  2 放射性核束的产生方法
  国际上产生放射性核束可分为在线同位素分离法(Isotope Separator On-Line, 简称 ISOL法)、炮弹碎裂法(projectile fragmentation, 简称PF法)和两步法(ISOL+PF)。
  ISOL法采用驱动加速器加速稳定核束(通常是轻粒子束流, 能量从每核子几十MeV到1 GeV)然后打厚靶, 通过各种核反应(低能时为熔合蒸发和转移反应, 高能时为碎裂或裂变)产生不稳定的原子核, 将这些不稳定的反应产物用离子源收集, 通过离子源电离产生单电荷态放射性束, 经过在线同位素分离器分离选择后, 通过电荷倍增器提高电荷态, 再利用常规加速器进行后加速形成放射性核束, 如图3所示。
  ISOL法需要两台加速器, 束流品质好、能量范围宽(几十keV~100 MeV/u), 束流能量可调, 但仅能产生寿命较长(大于几百毫秒)的放射性核束。 中国原子能科学研究院在建的北京放射性核束设施属于ISOL型装置.
  PF法也称飞行中分离(in flight)方法, 它利用驱动加速器加速后的稳定核束(通常是重离子核束, 能量几十MeV/u~1 GeV/u)打薄靶, 反应产物的速度与稳定核束相当, 由靶中向前方飞出。 再利用电磁分离装置, 经过收集、分离、纯化并形成放射性束流提供实验使用, 如图4所示。 PF法可产生寿命短至几百纳秒量级的不稳定核束, 更加接近中子或质子滴线。 其缺点是束流品质差, 束流能散和束斑较大, 束流能量与初级束流接近, 较多研究需要降能。 为克服以上缺点, 可以把放射性核束注入储存环以改善束流品质,这种方式的代价是失去那些短寿命的不稳定束流。
  中国科学院近代物理研究所的RIBLL次级束流线属于 PF 型 装 置,这两种方法各有所长, 互为补充。 但无论是PF法还是ISOL法, 都是通过一次反应产生放射性核素,都存在自身的弱点: PF装置利用稳定炮弹制约了碎裂产物可达到的丰中子核区, 且束流品质一般比较差; 而ISOL装置分离不同的核素需不同离子源, 同时有效分离时间为秒量级, 制约了更短寿命核束的产生。
  未来的发展方向之一是ISOL+PF(或PF+ISOL)两步法, 该方法结合前述两种方法的优点而弥补其弱点。 ISOL+PF是从ISOL方法出发, 用强流轻粒子束(转换成中子束)或反应堆驱动第一步反应产生丰中子不稳定产物, 利用ISOL法分离后进行后加速, 再利用PF法通过第二步反应产生更加远离稳定线的产物, 通过电磁分离后产生放射性核束。 由于ISOL法得到的丰中子不稳定产物比稳定核多出5~8个中子,极端丰中子核的产生截面比稳定束(如238U)打靶的提高4~6个量级。 考虑不稳定离子束强度相对于稳定离子束强度低2, 3个量级和其他损失因素, 极端丰中子束流强度比在建装置提高1, 2个量级。 PF+ISOL方法,则是从PF方法出发, 经电磁分离选取所需的放射性核, 在气体俘获器(gas-catcher)中慢化和收集, 然后做后加速, 这样可以大大提高束流品质。
  3 ISOL型放射性核束设施发展现状
  ISOL型装置产生的放射性束流的品质高, 能量适中, 具有独特的地位。 表1列出了当前国际已有的ISOL型放射性核束装置及其相应参数。 从1989年比利时鲁汶大学建成第一台ISOL型放射性核束装置开始, 美国、加拿大、法国、瑞士、意大利、中国都分别提出并建设了自己的ISOL型装置。 这些放射性束装置中, 法国的ALTO和SPIRAL-2采用了直线加速器作为驱动加速器, 瑞士的REX ISOLDE采用了质子同步加速器, 其他国家的驱动加速器均采用回旋加速器; 后加速采用了3种模式: 回旋加速器、串列加速器和直线加速器。
  目前在放射性核束物理与核天体物理关键科学问题的驱动下, 加上广阔的核科学应用需求, 国内外放射性核束装置在快速发展, ISOL型装置的发展潜力很大。 同时从需求上说, 强流极端丰中子的束流最为迫切。 随着研究工作越接近滴线区, 不稳定核束的强度急剧降低, 需要发展新一代的装置。 未来的解决方案, 多采用两步法, 可以得到高强度的不稳定束流, 未来两步法的思路是将ISOL与PF的特点结合,其原因在于ISOL产生次级束后加速再碎裂产生的丰中子束流强度, 比传统的PF一步过程要高。 在建装置: 美国MSU的FRIB上的次级束流线和德国的FAIR上的SuperFRS装置等。 中国原子能科学研究院与北京大学联合提出的北京ISOL计划也将采用两步法(北京ISOL项目建议书, 2013年)。
  4 北京放射性核束设施简介
  北京放射性核束设施(Beijing Rare Ion BeamFacility, BRIF)基于北京串列加速器核物理国家实验室, 是军民结合、基础与应用结合的多功能、多学科的研究装置, 在国防科工局的串列加速器升级工程的支持下, 包括新建的强流质子回旋加速器(100MeV, 200 mA)、在线同位素分离器(质量分辨率为20000)、已有的串列加速器(端电压可达15 MV)、超导直线加速段(2 MeV/q)和实验终端(布局示意图见图5)。 BRIF有很大的灵活性, 各部分可根据需要单独使用, 也同时使用, 还可联接成不同的组合使用。 其原理是: 由回旋加速器提供强流质子束, 打靶后形成放射性核素经过离子源后成为带正电荷的离子, 然后通过在线同位素分离器纯化, 引出正离子穿过电荷交换管道变成负离子, 负离子注入串列加速器得到加速, 再注入到超导直线加速段进一步提升能量,由后加速引出后送至实验大厅的终端开展核物理基础和应用实验。
  2003年BRIF建议书获得批准; 2004年可研报告获得批准, 金额1.89亿元人民币; 2009年新版可研报告获批, 金额调整为3.66亿元人民币; 2011年开始土建并完成回旋主磁铁建造; 2014年7月4日, 100 MeV强流质子回旋加速器首次调试出束, 标志着BRIF工程重大里程碑节点的实现。 强流质子回旋加速器直径6.16 m, 总重量475吨, 是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器, 也是我国目前自主创新、自行研制的能量最高的质子回旋加速。BRIF工程完成后, 可产生的放射性束流种类及强度估算见表2和3. 表2列出了通过电荷交换反应、少数核子转移反应和熔合蒸发反应可产生的放射性核束, 表3列出了通过质子打238U靶裂变反应可产生的放射性核束。
  5 研究展望
  目前, 国际上开展放射性核束物理比较活跃的研究机构有: 美国的MSU、日本的RIBF、德国的GSI和法国的 GANIL, 大部分研究成果都是基于PF型的放射性束流产生。 国际上的 ISOL 型装置虽建成不少, 但大多处于初级阶段, 有些没有得到充足的运行支持, 如美国的HRIBF. 因此, 作为目前国际上较高水平的ISOL型装置BRIF, 将为我国核物理基础研究提供独特的研究机遇。
  BRIF建成后在放射性核束物理方面可以开展许多前沿工作, 如: 原子核的激发态存在奇异的双质子发射现象[1], 滴线区新幻数的出现[2]和原子核反应截面的增加[3,4]. 此外, 原子核的集团效应也是近年来放射性核束领域的一大热点课题[5], 虽然集团态理论研究有大进展, 仅少数集团态被实验证实。
  在核天体物理方面也将大有可为。 通过中子转移反应使丰中子核素变得更丰中子, 研究这些极丰中子核素的单粒子特性[6], 并进而研究中子辐射俘获(n,g)反应。 (n,g)反应是合成宇宙中铁以上元素的最重要的途径, 因为短寿命核素和中子都无法做靶, 所以难以直接测量不稳定核的(n,g)反应, (d,p)反应将是研究中子辐射俘获(n,g)反应的极好方法[7]. 类似地, 通过质子转移反应可以使丰质子核素变得更丰质子,研究这些核素的单粒子特性或者复合核的能级特性,进而可以研究质子辐射俘获(p,g)反应[8,9]. (p,g)反应是恒星爆发性氢燃烧中的一类极其重要的反应, 它对于研究大质量恒星能源和元素起源有重要意义。 此外, b延发核子发射和集团发射也是研究天体核反应[10]和核素半衰期[11]
的有力工具。
  BRIF可提供大量的丰中子放射性束流, 也为极端条件下核物质性质的研究提供重要的机遇。 通过丰中子束流引起的核反应, 可以获得远离饱和密度的、具有较大同位旋非对称度的热核体系或者核物质。 通过测量核反应发射的不同中子丰度的产物分布, 人们可以研究在极端条件下同位旋自由度的输运性质, 研究热核体系或核物质状态方程, 从而正确理解远离稳定线的核物质状态方程, 这对于人们理解恒星、特别是中子星的性质和模型计算其演化属性, 也是非常重要的。
  除基础研究课题外, BRIF也可以进行核数据测量和航天器件抗辐射加固研究, 并在材料科学、生命科学以及其他核技术应用领域都将做出新的开拓,它将是我国的核科学大型平台之一。

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出版地:云南

发行周期: 月刊

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