超重核充气谱仪装置

张志远，甘再国，黄明辉，黄天衡，马 龙，马 飞，郑 勇，周小红，徐瑚珊，詹文龙

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 研究生院，北京 100049）

超重元素的合成和性质研究是检验现代核结构理论的重要手段，也是探索元素的原子序数极限的主要方法。核电荷数大于92（铀核电荷数）的所有元素都是用人工方法首次合成的。多种理论预言，较208Pb更重的下一个双幻核在质子数Z＝114（或120、126），中子数N＝184核素附近［1－3］。目前，实验室合成元素的原子序数已达118［4－5］，更高原子序数的核素合成实验在不断进行中。

重离子熔合蒸发反应是合成超重核素的主要方法，但核素的核电荷数越大，其合成截面就越低（约pb量级），通常，1、2个月的束流实验才可看到几个事件，因此，可靠稳定的实验设备和鉴别手段是超重核实验的必要条件。在现有实验技术下，从薄靶中反冲出的超重核一般都利用电磁分离技术在飞行中进行分离，并被具有单原子衰变测量能力的探测系统测量和鉴别。主要的分离设备有两种：一种是电磁反冲分离器，利用正交电磁场或静电偏转技术，将带电的反冲余核进 行分离［6－7］，如德国 GSI的SHIP［6］、俄罗斯JINR 的 VASSILISSA［7］、法国GANIL的LISEⅢ［8］等。另一种是充气反冲分离器，将带有不同电荷的反冲余核与稀薄气体发生多次碰撞，使余核电荷态达到平衡值，并通过设置合适的磁场强度，对其进行分离［9］，如俄罗斯JINR的DGFRS［10］、日本RIKEN的GARIS［11］、德国 GSI 的 TASCA［12］、美国LBNL的BGS［13］、芬兰Jyvǎskylä大学加速器实验室的RITU［14］等。两种分离设备都具有传输速度快、效率高等特点，可用于研究寿命短（μs量级）、产生截面低（pb量级）的重核素的合成及性质。

本文主要介绍兰州重离子研究装置（HIRFL）上新建的用于超重核研究的实验终端——充气谱仪装置及初步调试结果。

1 充气谱仪装置

结合国际上多台充气反冲谱仪的优缺点，近代物理研究所设计的充气谱仪装置采用QvDhQvQh构型（图1，其中，Qh、Qv分别为具有水平方向和竖直方向聚焦作用的四极磁铁，Dh为具有水平聚焦分量的二极磁铁），其主要设计参数列于表1。与传统的充气谱仪DQQ构型不同，本装置在Dh铁之前增加竖直方向聚焦的Qv铁，以增加谱仪接收立体角。Dh铁在偏转反应产物的同时具有水平聚焦作用，以提高谱仪的传输效率。本装置的充气部分及加速器真空腔的隔离与GARIS［8］的设计类似，采用差分抽气系统。该设计的优点在于避免使用真空隔断窗，对束流能量和束流发散无影响。充气谱仪的本底主要来自散射的束流、转移反应产物以及散射的靶离子，而提高本底抑制能力的最直接方法就是增大Dh铁偏转角。本装置设计了较大的偏转角（52°），以减少本底对目标核探测的影响。另外，本装置的最大磁刚度设计为2.88T·m，仅次于JINR的DGFRS，可用于磁刚度较大的“暖熔合”［2］反应产物的分离。

图1 HIRFL充气谱仪结构图Fig.1 Schematic view of HIRFL gas－filled recoil separator

表1 充气谱仪主要设计参数Table 1 Technical parameters of gas－filled recoil separator

2 175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac实验研究

为测试充气谱仪的性能，选取截面已知的反应175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac［15］进行实验研究。利用能量177.1MeV、流强约0.5eμA的40Ar11＋束流轰击质量厚度为532μg／cm2的天然175Lu靶，产生的蒸发余核211，210Ac经谱仪传输注入焦平面探测器中，并在其中衰变。焦平面探测器采用16分条的位置灵敏硅条探测器，灵敏面积为58mm×58mm，双端读出的硅条信号之和作为能量信号，并由电荷分除法得到位置信号。采用固定靶实验，距靶后20cm处在10°、30°、45°分别安装硅雪崩光电二极管（Si APD），通过测量束流的 Rutherford弹性散射来监测流强。在整个谱仪装置内，充入气压约100Pa的He气作为工作气体。

图2示出了实验中获得的典型α衰变信号能谱。从图2可明显看出，211，210Ac→207，206Fr→203，202At→199，198Bi衰变链产生了3个 α峰。由于余核是注入探测器表面后才进行衰变，所以，图中除去本底之后的母核α峰计数只有注入探测器的蒸发余核计数的一半。207，206Fr的计数多于211，210Ac，是由于该束流能量下还存在其它反应道的影响。203，202At的计数较少，是由于其半衰期较长，在记谱时间内未完全衰变。

图2 焦平面探测器衰变信号谱Fig.2 Typical decay energy spectrum in focal plane

为测量不同气压下余核电荷态分布和谱仪传输效率的变化，在充气气压分别为75、84和102Pa时，设置偏转磁场B在0.81～0.92T之间变化，测量反冲余核211，210Ac衰变的计数率，从而得到不同He气气压下余核的电荷态分布（图3）。对于动能一定的反冲余核，不同的偏转磁场即对应不同的电荷态，因此，图3中横轴取余核的电荷态。计算中考虑了靶厚对余核反冲能的影响，未考虑余核在He气中的能损。图3中实线、虚线和点划线分别是对不同气压下余核电荷态分布的高斯拟合，通过拟合得到在75Pa下，余核平衡电荷态q＝6.48±0.23；84Pa气压下，＝6.52±0.26；102Pa下＝6.56±0.23。根据文献［16］给出的计算平衡电荷态的经验公式＝3.3×10－7vZ1／3－1.18（其中：v为余核反冲速度，Z为原子序数），得到该速度下余核平衡电荷态为6.54，与实验测量值符合较好，由此说明利用此公式来计算该核区其它核素在He气中的平衡电荷态是可行的。另外可看出，随着充气气压的升高，电荷态分布的平衡值稍有变大，同时探测到余核α衰变的最大计数率变化不大，说明该范围内的气压变化对产物的传输效率影响较小。平衡值变大的主要原因是当充气气压升高时，余核与气体分子的碰撞几率增大，使得余核的电子被激发的几率也增大，而处于激发态的电子更易从余核中脱离［9］，由此导致平衡电荷态变大。

图3 余核电荷态分布Fig.3 Measured charge state distributions of evaporation residues in helium gas

传输效率是充气谱仪是否可用于超重核实验研究的重要依据，它的测量是本次实验的主要目的之一。目前探测器的灵敏面积小于谱仪焦平面的设计值，所以，此次实验只能给出传输效率的下限。从图3可看到，在流强1eμA的条件下，探测到母核211，210Ac衰变产生的α粒子最大计数率约为300min－1，再考虑到探测器对衰变信号的探测效率50%，天然175Lu靶的丰度97%，得到目前实验条件下充气谱仪对175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac反应产物的传输效率下限为14%。若增大探测器的面积，测量的传输效率还将进一步提高。芬兰RITU谱仪用相同反应道测试的传输效率是25%［14］，但这并不完全具有可比性，原因是两个设备的结构有一定差异，本谱仪Dh铁偏转角度大，更侧重于抑制本底。

3 总结

本文主要介绍了在HIRFL上新运行的超重核充气谱仪实验装置及其初步调试结果。利用反应175Lu（40Ar，4～5n）211，210Ac测试了谱仪性能，得到两方面结果：1）反冲余核211，210Ac在不同He气气压中运动的电荷态分布，其平衡值与文献［16］给出的经验公式计算值符合较好；2）通过估算得到充气谱仪对该反应道产物的传输效率下限为14%。

感谢中国科学院近代物理研究所重离子加速器工作人员提供的稳定40Ar束流。

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