放射性核束物理與核天體物理的設(shè)備建設(shè),核物理論文

放射性核束物理與核天體物理的設(shè)備建設(shè),核物理論文加速器大科學(xué)裝置是研究核物理科學(xué)問(wèn)題的重要工具。利用加速器裝置提供的不同能量、不同種類(lèi)、高品質(zhì)的束流如穩(wěn)定核束、放射性核束、極化和非極化離子束等開(kāi)展相關(guān)研究，不斷深化著對(duì)物質(zhì)微觀(guān)構(gòu)造、宇宙演化和元素起源的認(rèn)識(shí)，十分是核物理重要前沿領(lǐng)域的研究對(duì)加速器大科學(xué)裝置提出了迫切需求。放射性核束物理與核天體物理是當(dāng)今物理學(xué)基礎(chǔ)研究的重要前沿領(lǐng)域，其需求是建造大型放射性核束設(shè)施的主要推動(dòng)力。在20世紀(jì)70,80年代，我們國(guó)家選擇了中低能重離子物理作為主導(dǎo)發(fā)展方向，建成了蘭州重離子加速器HIRFL和北京HI-13串列加速器等一批大裝置，并開(kāi)展了系列研究工作。從20世紀(jì)90年代開(kāi)場(chǎng)，建成了HIRFL-RIBLL和CIAE-GIRAFFE放射性束流線(xiàn)，十分是蘭州的冷卻儲(chǔ)存環(huán)大科學(xué)工程HIRFL-CSR已于2008年開(kāi)場(chǎng)逐步投入使用，北京放射性核束設(shè)施BRIF也進(jìn)展順利。自2000年開(kāi)場(chǎng)，放射性核束物理與核天體物理已經(jīng)得到國(guó)家三輪國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃〔973項(xiàng)目〕的支持，還陸續(xù)得到若干國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。2018年，核天體物理獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金的支持。2020年，核天體物理項(xiàng)目基于錦屏深地實(shí)驗(yàn)室的核天體物理關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支持。這些大科學(xué)裝置的建成和重點(diǎn)科研項(xiàng)目的施行，穩(wěn)定和發(fā)展了一支國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)的研究隊(duì)伍，實(shí)驗(yàn)探測(cè)設(shè)備和理論手段逐步發(fā)展完善，科研水平穩(wěn)步提升并在若干方面構(gòu)成了較大的國(guó)際影響。1放射性核束物理與核天體物理1.1放射性核束物理自然界穩(wěn)定的原子核不到300個(gè)，這些原子核基本上都有比擬大的結(jié)合能〔平均每個(gè)核子幾兆電子伏〕，因而可稱(chēng)為深束縛原子核，它們構(gòu)成了我們生存環(huán)境中所有物質(zhì)的基礎(chǔ)，也提供了我們利用核能的源泉。自1896年核科學(xué)誕生后直到20世紀(jì)80年代初，人類(lèi)對(duì)原子核的研究主要集中在這些穩(wěn)定原子核，當(dāng)前人們對(duì)這些原子核的性質(zhì)已經(jīng)有了比擬系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。隨著向穩(wěn)定線(xiàn)兩側(cè)擴(kuò)展，原子核開(kāi)場(chǎng)變得不穩(wěn)定，其結(jié)合能逐步減小，壽命逐步縮短，直到到達(dá)原子核穩(wěn)定性的極限位置〔也稱(chēng)為滴線(xiàn)，最后一個(gè)核子結(jié)合能為零〕。圖1給出了原子核從穩(wěn)定線(xiàn)擴(kuò)展到滴線(xiàn)區(qū)的示意圖。從1985年在美國(guó)柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的放射性束實(shí)驗(yàn)開(kāi)場(chǎng)，人類(lèi)研究的原子核數(shù)目迅速擴(kuò)大，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)上已合成了近3000種。原子核理論計(jì)算推斷，在滴線(xiàn)以?xún)?nèi)的原子核有8000~10000個(gè)，比穩(wěn)定核多出數(shù)十倍。接近滴線(xiàn)區(qū)的原子核蘊(yùn)含著豐富的、與穩(wěn)定原子核不同的現(xiàn)象與規(guī)律，它能夠成為弱束縛體系，體積能夠大大擴(kuò)張〔如暈核〕，構(gòu)造形態(tài)能夠有全新的圖像〔如松懈的集團(tuán)和分子態(tài)〕，與連續(xù)態(tài)能夠發(fā)生很強(qiáng)的耦合，有效互相作用的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生顯著變化。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，這些預(yù)言在一些研究中陸續(xù)得到證實(shí)，如核子分布的暈構(gòu)造、殼構(gòu)造的新幻數(shù)、連續(xù)態(tài)強(qiáng)耦合等，并觀(guān)察到奇特原子核的反響截面突變、多反響道耦合、多步經(jīng)過(guò)等新的反響機(jī)制和效應(yīng)。這些現(xiàn)象預(yù)示著在遠(yuǎn)離穩(wěn)定線(xiàn)的區(qū)域，原子核的構(gòu)造和作用方式會(huì)發(fā)生系統(tǒng)的演變，并出現(xiàn)以新的構(gòu)造自由度和新的有效互相作用為表征的新物理。但是，由于放射性核束裝置提供不穩(wěn)定束流的種類(lèi)和強(qiáng)度的限制，我們當(dāng)前到達(dá)的核區(qū)疆界僅為理論預(yù)測(cè)的四分之一，這促使國(guó)內(nèi)外的核物理工作者繼續(xù)發(fā)展新的放射性核束裝置并開(kāi)展研究。1.2核天體物理浩瀚無(wú)垠的宇宙中無(wú)數(shù)閃閃發(fā)光的恒星都有構(gòu)成、演化和死亡的經(jīng)過(guò)。由于恒星內(nèi)部熱核反響釋放出來(lái)的輻射能量構(gòu)成向外的壓力抗衡引力收縮，導(dǎo)致恒星的平穩(wěn)演化經(jīng)過(guò)進(jìn)行得非常緩慢。一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星一旦構(gòu)成，在大約1010年的時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生人們可直接觀(guān)測(cè)到的變化。這些核反響不僅僅是恒星的能源，也是宇宙中除氫以外所有元素賴(lài)以合成的唯一機(jī)制，在原始大爆炸后最初幾分鐘至恒星壽命終結(jié)的宇宙和天體演化經(jīng)過(guò)中起極為重要的作用。核天體物理是研究微觀(guān)世界的核物理與研究宇觀(guān)世界的天體物理相融合構(gòu)成的穿插學(xué)科，其主要研究目的是：宇宙中各種元素合成的經(jīng)過(guò)、時(shí)間、物理環(huán)境、天體場(chǎng)所及豐度分布；核反響〔包括帶電粒子、中子、光子及中微子引起的反響、衰變及電子俘獲〕怎樣控制恒星的演化經(jīng)過(guò)和結(jié)局。新星、X-射線(xiàn)暴和超新星等爆發(fā)性事件中的核合成，其反響流沿遠(yuǎn)離穩(wěn)定線(xiàn)的途徑發(fā)展，有大量不穩(wěn)定核素卷入核燃燒經(jīng)過(guò)。這些經(jīng)過(guò)發(fā)生在高溫高密的天體環(huán)境中，反響率高、持續(xù)時(shí)間短，主要包括快速質(zhì)子俘獲〔rp-〕經(jīng)過(guò)、快速中子俘獲〔r-〕經(jīng)過(guò)和p-經(jīng)過(guò)。上述核合成經(jīng)過(guò)及反響途徑示于圖2.在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量這些重要核經(jīng)過(guò)牽涉到大量不穩(wěn)定核素的構(gòu)造、反響和衰變特性。研究上述爆發(fā)性天體事件中的核合成是當(dāng)下核天體物理的極具挑戰(zhàn)性的主攻方向，天體中鐵以上元素的合成途徑被稱(chēng)為是21世紀(jì)的十一大科學(xué)難題之一。自然界的諸多宇觀(guān)核物質(zhì)體系〔如中子星或夸克星〕，也都處于同位旋極端不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。因而放射性核束物理研究與核天體物理研究在學(xué)術(shù)上構(gòu)成自然的融合，互相促進(jìn)。2放射性核束的產(chǎn)生方式方法國(guó)際上產(chǎn)生放射性核束可分為在線(xiàn)同位素分離法〔IsotopeSeparatorOn-Line,簡(jiǎn)稱(chēng)ISOL法〕、炮彈碎裂法〔projectilefragmentation,簡(jiǎn)稱(chēng)PF法〕和兩步法〔ISOL+PF〕。ISOL法采用驅(qū)動(dòng)加速器加速穩(wěn)定核束〔通常是輕粒子束流，能量從每核子幾十MeV到1GeV〕然后打厚靶，通過(guò)各種核反響〔低能時(shí)為熔合蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移反響，高能時(shí)為碎裂或裂變〕產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子核，將這些不穩(wěn)定的反響產(chǎn)物用離子源收集，通過(guò)離子源電離產(chǎn)生單電荷態(tài)放射性束，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)同位素分離器分離選擇后，通過(guò)電荷倍增器提高電荷態(tài)，再利用常規(guī)加速器進(jìn)行后加速構(gòu)成放射性核束，如此圖3所示。ISOL法需要兩臺(tái)加速器，束流品質(zhì)好、能量范圍寬〔幾十keV~100MeV/u〕，束流能量可調(diào)，但僅能產(chǎn)生壽命較長(zhǎng)〔大于幾百毫秒〕的放射性核束。中國(guó)原子能科學(xué)研究院在建的北京放射性核束設(shè)施屬于ISOL型裝置.PF法也稱(chēng)飛行中分離〔inflight〕方式方法，它利用驅(qū)動(dòng)加速器加速后的穩(wěn)定核束〔通常是重離子核束，能量幾十MeV/u~1GeV/u〕打薄靶，反響產(chǎn)物的速度與穩(wěn)定核束相當(dāng)，由靶中向前方飛出。再利用電磁分離裝置，經(jīng)過(guò)收集、分離、純化并構(gòu)成放射性束流提供實(shí)驗(yàn)使用，如此圖4所示。PF法可產(chǎn)生壽命短至幾百納秒量級(jí)的不穩(wěn)定核束，愈加接近中子或質(zhì)子滴線(xiàn)。其缺點(diǎn)是束流品質(zhì)差，束流能散和束斑較大，束流能量與初級(jí)束流接近，較多研究需要降能。為克制以上缺點(diǎn)，能夠把放射性核束注入儲(chǔ)存環(huán)以改善束流品質(zhì)，這種方式的代價(jià)是失去那些短壽命的不穩(wěn)定束流。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的RIBLL次級(jí)束流線(xiàn)屬于PF型裝置，這兩種方式方法各有所長(zhǎng)，互為補(bǔ)充。但無(wú)論是PF法還是ISOL法，都是通過(guò)一次反響產(chǎn)生放射性核素，都存在本身的弱點(diǎn)：PF裝置利用穩(wěn)定炮彈制約了碎裂產(chǎn)物可到達(dá)的豐中子核區(qū)，且束流品質(zhì)一般比擬差；而ISOL裝置分離不同的核素需不同離子源，同時(shí)有效分離時(shí)間為秒量級(jí)，制約了更短壽命核束的產(chǎn)生。將來(lái)的發(fā)展方向之一是ISOL+PF〔或PF+ISOL〕兩步法，該方式方法結(jié)合前述兩種方式方法的優(yōu)點(diǎn)而彌補(bǔ)其弱點(diǎn)。ISOL+PF是從ISOL方式方法出發(fā)，用強(qiáng)流輕粒子束〔轉(zhuǎn)換成中子束〕或反響堆驅(qū)動(dòng)第一步反響產(chǎn)生豐中子不穩(wěn)定產(chǎn)物，利用ISOL法分離后進(jìn)行后加速，再利用PF法通過(guò)第二步反響產(chǎn)生愈加遠(yuǎn)離穩(wěn)定線(xiàn)的產(chǎn)物，通過(guò)電磁分離后產(chǎn)生放射性核束。由于ISOL法得到的豐中子不穩(wěn)定產(chǎn)物比穩(wěn)定核多出5~8個(gè)中子，極端豐中子核的產(chǎn)生截面比穩(wěn)定束〔如238U〕打靶的提高4~6個(gè)量級(jí)?？紤]不穩(wěn)定離子束強(qiáng)度相對(duì)于穩(wěn)定離子束強(qiáng)度低2,3個(gè)量級(jí)和其他損失因素，極端豐中子束流強(qiáng)度比在建裝置提高1,2個(gè)量級(jí)。PF+ISOL方式方法，則是從PF方式方法出發(fā)，經(jīng)電磁分離選取所需的放射性核，在氣體俘獲器〔gas-catcher〕中慢化和收集，然后做后加速，這樣能夠大大提高束流品質(zhì)。3ISOL型放射性核束設(shè)施發(fā)展現(xiàn)在狀況ISOL型裝置產(chǎn)生的放射性束流的品質(zhì)高，能量適中，具有獨(dú)特的地位。表1列出了當(dāng)下國(guó)際已有的ISOL型放射性核束裝置及其相應(yīng)參數(shù)。從1989年比利時(shí)魯汶大學(xué)建成第一臺(tái)ISOL型放射性核束裝置開(kāi)場(chǎng)，美國(guó)、加拿大、法國(guó)、瑞士、意大利、中國(guó)都分別提出并建設(shè)了自個(gè)的ISOL型裝置。這些放射性束裝置中，法國(guó)的ALTO和SPIRAL-2采用了直線(xiàn)加速器作為驅(qū)動(dòng)加速器，瑞士的REXISOLDE采用了質(zhì)子同步加速器，其他國(guó)家的驅(qū)動(dòng)加速器均采用回旋加速器；后加速采用了3種形式：回旋加速器、串列加速器和直線(xiàn)加速器。當(dāng)前在放射性核束物理與核天體物理關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，加上廣闊的核科學(xué)應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外放射性核束裝置在快速發(fā)展，ISOL型裝置的發(fā)展?jié)摿艽?。同時(shí)從需求上講，強(qiáng)流極端豐中子的束流最為迫切。隨著研究工作越接近滴線(xiàn)區(qū)，不穩(wěn)定核束的強(qiáng)度急劇降低，需要發(fā)展新一代的裝置。將來(lái)的解決方案，多采用兩步法，能夠得到高強(qiáng)度的不穩(wěn)定束流，將來(lái)兩步法的思路是將ISOL與PF的特點(diǎn)結(jié)合，其原因在于ISOL產(chǎn)生次級(jí)束后加速再碎裂產(chǎn)生的豐中子束流強(qiáng)度，比傳統(tǒng)的PF一步經(jīng)過(guò)要高。在建裝置：美國(guó)MSU的FRIB上的次級(jí)束流線(xiàn)和德國(guó)的FAIR上的SuperFRS裝置等。中國(guó)原子能科學(xué)研究院與北京大學(xué)聯(lián)合提出的北京ISOL計(jì)劃也將采用兩步法〔北京ISOL項(xiàng)目建議書(shū)，2020年〕。4北京放射性核束設(shè)施簡(jiǎn)介北京放射性核束設(shè)施〔BeijingRareIonBeamFacility,BRIF〕基于北京串列加速器核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，是軍民結(jié)合、基礎(chǔ)與應(yīng)用結(jié)合的多功能、多學(xué)科的研究裝置，在國(guó)防科工局的串列加速器升級(jí)工程的支持下，包括新建的強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器〔100MeV,200mA〕、在線(xiàn)同位素分離器〔質(zhì)量分辨率為20000〕、已有的串列加速器〔端電壓可達(dá)15MV〕、超導(dǎo)直線(xiàn)加速段〔2MeV/q〕和實(shí)驗(yàn)終端〔布局示意圖見(jiàn)圖5〕。BRIF有很大的靈敏性，各部分可根據(jù)需要單獨(dú)使用，也同時(shí)使用，還可連接成不同的組合使用。其原理是：由回旋加速器提供強(qiáng)流質(zhì)子束，打靶后構(gòu)成放射性核素經(jīng)過(guò)離子源后成為帶正電荷的離子，然后通過(guò)在線(xiàn)同位素分離器純化，引出正離子穿過(guò)電荷交換管道變成負(fù)離子，負(fù)離子注入串列加速器得到加速，再注入到超導(dǎo)直線(xiàn)加速段進(jìn)一步提升能量，由后加速引出后送至實(shí)驗(yàn)大廳的終端開(kāi)展核物理基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。2003年BRIF建議書(shū)獲得批準(zhǔn)；2004年可研報(bào)告獲得批準(zhǔn)，金額1.89億元人民幣；2018年新版可研報(bào)告獲批，金額調(diào)整為3.66億元人民幣；2018年開(kāi)場(chǎng)土建并完成回旋主磁鐵建造；2020年7月4日，100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器初次調(diào)試出束，標(biāo)志著B(niǎo)RIF工程重大里程碑節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器直徑6.16m,總重量475噸，是國(guó)際上最大的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，也是我們國(guó)家當(dāng)前自主創(chuàng)新、自行研制的能量最高的質(zhì)子回旋加速。BRIF工程完成后，可產(chǎn)生的放射性束流種類(lèi)及強(qiáng)度估算見(jiàn)表2和3.表2列出了通過(guò)電荷交換反響、少數(shù)核子轉(zhuǎn)移反響和熔合蒸發(fā)反響可產(chǎn)生的放射性核束，表3列出了通過(guò)質(zhì)子打238U靶裂變反響可產(chǎn)生的放射性核束。5研究瞻望當(dāng)前，國(guó)際上開(kāi)展放射性核束物理比擬活潑踴躍的研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)的MSU、日本的RIBF、德國(guó)的GSI和法國(guó)的GANIL,大部分研究成果都是基于PF型的放射性束流產(chǎn)生。國(guó)際上的ISOL型裝置雖建成不少，但大多處于初級(jí)階段，有些沒(méi)有得到充足的運(yùn)行支持，如美國(guó)的HRIBF.因而，作為當(dāng)前國(guó)際上較高水平的ISOL型裝置BRIF,將為我們國(guó)家核物理基礎(chǔ)研究提供獨(dú)特的研究機(jī)遇。BRIF建成后在放射性核束物理方面能夠開(kāi)展很多前沿工作，如：原子核的激發(fā)態(tài)存在奇異的雙質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象[1],滴線(xiàn)區(qū)新幻數(shù)的出現(xiàn)[2]和原子核反響截面的增加[3,4].除此之外，原子核的集團(tuán)效應(yīng)也是近年來(lái)放射性核束領(lǐng)域的一大熱門(mén)課題[5],固然集團(tuán)態(tài)理論研究有大進(jìn)展，僅少數(shù)集團(tuán)態(tài)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在核天體物理方面也將大有可為。通過(guò)中子轉(zhuǎn)移反響使豐中子核素變得更豐中子，研究這些極豐中子核素的單粒子特性[6],并進(jìn)而研究中子輻射俘獲〔n,g〕反響。〔n,g〕反響是合成宇宙中鐵以上元素的最重要的途徑，由于短壽命核素和中子都無(wú)法做靶，所以難以直接測(cè)量不穩(wěn)定核的〔n,g〕反響，〔d,p〕反響將是研究中子輻射俘獲〔n,g〕反響的極好方式方法[7].類(lèi)似地，通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反響能夠使豐質(zhì)子核素變得更豐質(zhì)子，研究這些核素的單粒子特性或者復(fù)合核的能級(jí)特性，進(jìn)而能夠研究質(zhì)子輻射俘獲〔p,g〕反響[8,9].〔p,g〕反響是恒星爆發(fā)性氫燃燒中的一類(lèi)極其重要的反響，它對(duì)于研究大質(zhì)量恒星能源和元素起源有重要意義。除此之外，b延發(fā)核子發(fā)射和集團(tuán)發(fā)射也是研究天體核反響[10]和核素半衰期[11]的有力工具。BRIF可提供大量的豐中子放