日本理化所电子与放射性核素散射装置

王 硕

（山东大学（威海）空间科学与物理学院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室 威海 264209）

日本理化所电子与放射性核素散射装置

王 硕

（山东大学（威海）空间科学与物理学院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室 威海 264209）

为了精确测量放射性核素原子核的内部结构，日本理化学研究所研制出一种新颖的制作放射性核素靶的方法，使电子与放射性核素散射实验成为可能。该方法主要利用电子储存环中的“离子束缚”现象，使得从外部离子源注入的放射性核素离子被束缚在电子存储环中，形成放射性核素靶并进而与电子束发生散射。电子与放射性核素散射装置于2009年在日本理化学研究所开始建造，其主要包括三个部分：(1) 电子束产生装置；(2) 电子存储环；(3) 放射性核素生成与分离装置。目前除放射性核素生成装置仍然在建设中，其余部分已于2010年建造完成，并利用稳定原子核133Cs和132Xe对其性能进行了测试。结果表明，当电子束流强度约为200 mA时，散射实验的亮度可达约1027cm-2.s-1。

放射性核素，电子散射，电子储存环，离子束缚

与靶原子核的相互作用很弱，测量过程中不会对靶原子核造成影响；(3) 理论上对电磁相互作用的描述已经非常完备，通过拟合实验数据与理论计算可以准确地得到原子核的结构信息。从20世纪50年代开始，电子散射方法广泛应用于对稳定原子核结构的研究中，为当代核理论模型的建立提供了坚实的基础。随着加速器技术以及粒子探测器技术的发展，核物理的研究已经拓展到了短寿命的放射性核素区域，并发现了一些具有奇特核结构性质的原子核，例如中子晕和中子皮等现象[1-2]。受放射性核素产额、寿命以及制靶技术等因素的限制，电子散射方法一直未能应用于对放射性核素的研究中。为了实现电子与放射性核素的散射实验，日本理化学研究所研制出一种新颖的制作放射性核素靶的方法，称之为SCRIT (Self-Confining Radioactive isotope Ion Target)[3-4]。

1 原理及方法

到电子储存环中的放射性核素离子限定在某一区域内，从而在电子储存环中形成“放射性核素靶”，电子束流将与这些被束缚的靶离子发生散射(图1)。由于靶核具有一定的寿命，所以束缚一段时间后（取决于靶核的寿命），这些离子将被引出并再次注入新的靶离子，用以保证放射性核素靶的纯度。

图1 利用SCRIT方法所形成的放射性核素靶与电子散射示意图Fig.1 Sketch map about SCRIT method.

2 可行性研发实验

SCRIT方法主要基于电子储存环中的“离子俘获”现象[5-7]，储存环中被电离的残余气体离子会束缚在电子束流中，并与电子发生相互作用，降低束流的强度与寿命等指标，影响电子储存环的性能。SCRIT装置利用“离子俘获”现象，把从外部注入

从2004年开始，在日本京都大学的KSR (Kaken Storage Ring)电子储存环上对SCRIT方法进行了可行性研发实验(图2)。可行性研发实验的主要目的包括：(1) 验证“离子俘获”现象是否可以把从外部注入的离子束缚在电子束中，形成放射性核素靶；(2) 如果方法可行，被束缚住离子的数目为多少或散射实验可以获得的最高亮度为多少；(3)影响散射实验亮度的相关物理量。研发实验中，使用稳定的原子核133Cs作为靶核，电子束流的能量为120 MeV，平均电流强度为75 mA，相应的束流寿命约为100 s。对于散射电子的探测系统主要由一个漂移室探测器和三个量能器组成(图3)。漂移室探测器主要负责测量散射电子的轨迹，用以获得有关散射电子角分布等方面的信息。量能器主要用于测量散射电子的能量，每个量能器都是由7个六边形无机晶体探测器组合而成的探测器阵列。三个量能器所覆盖的散射角度为25°-70°。

图2 日本京都大学的KSR电子储存环以及SCRIT装置Fig.2 KSR electron storage ring and SCRIT device in Kyoto University.

图3 散射电子探测系统示意图Fig.3 Detection system for scattered electrons.

实验中对弹性散射电子角分布进行了测量，并与理论计算散射截面作了比较，当电流强度约在70mA时，散射实验的亮度可以达到约1025cm-2.s-1，被束缚住的Cs离子的数目约为1.7×106。实验结果表明，SCRIT方法可以用来实现电子与放射性核素散射实验[8-11]。实验中还对小角度(＜1°)的散射电子进行了测量，并得到了散射实验亮度随电子束流强度的变化关系[10]，如图4所示。从图4中可以明显地看到，亮度随电流强度而增高。由于实验条件的限制，KSR电子储存环所能达到的最大电流强度约为75 mA，为了获得更高的亮度来实现电子与放射性核素散射实验，一台高性能的电子储存环是必要的。

图4 散射实验中亮度随电子束流强度的变化关系Fig.4 Luminosity changed with beam current in the scattering experiment.

3 电子与放射性核素散射装置

基于上述可行性研发实验的结论，一台利用SCRIT方法的大型电子与放射性核素散射装置于2009年在日本理化学研究所开始建造[12]，装置示意图如图5所示。

图5 测试实验中SCRIT电子与放射性核素散射装置示意图Fig.5 Sketch map about SCRIT electron scattering facility during the testing experiment.

该装置主要由三部分组成：(1) 电子加速器(Racetrack Microtron, RTM)；(2) 电子储存环(SR2: SCRIT-equipped RIKEN Storage Ring)；(3) 放射性核素生成与分离系统(SCRIT RI beam injector system, SRIS)。SCRIT装置安装在电子储存环一侧的直线部分。电子束流在电子加速器中被加速至150 MeV，然后引出并注入电子储存环中。当储存环中的电流强度达到实验所需流强后，电子加速器产生的电子束流将被引入至放射性核素生成装置，用来轰击铀靶(238UCx)来产生放射性核素，并利用偏转磁铁对所生成的放射性核素进行粒子鉴别。所要研究的放射性核素离子（能量约为50 keV）将被传输至RFQ冷却聚束器中(RFQ cooler buncher)，然后放射性核素离子将以脉冲的形式注入到SCRIT装置中。目前除放射性核素生成部分外，其余部分都已于2010年建造完成。并于2011-2012年，利用稳定的原子核133Cs和132Xe对整套装置的性能进行了评估。测试实验中，电子束流的能量设为150MeV，最大束流强度为200 mA，相应的寿命约为120 min。

4 结语

图6显示为133Cs作为靶核时测试实验所得到的结果[13]。图6(a)和(c)为所测量到的弹性散射电子（在量能器中的能损Ee＞100 MeV）与靶核发生散射的位置分布；图6(b)和(d)为测量到的从靶区内散射出的散射电子的能谱。图6中纵坐标为测量到的散射电子的产额。图6(a)中实心点为有Cs离子注入时所测量到的散射电子的产额，空心点为无Cs离子注入时的本底测量，图中虚线为靶区所在位置，其设计长度为50 cm。从图6(a)可以明显地看出，当有Cs离子注入时只有靶区内的计数有明显的增加，靶区外的计数基本保持不变，说明注入的Cs离子全部束缚在了指定的靶区内，并与电子束发生了弹性散射。图6(c)中空心点为扣除本底后的实验数据，实线为模拟计算结果，模拟计算中假设被束缚的Cs离子在靶区内呈均匀分布，并考虑了电子与靶核的弹性散射截面。实验结果与模拟计算基本符合，表明实验中被束缚的Cs离子在靶区内是均匀分布的。图6(b)中实心点和空心点分别为有无Cs离子注入时从靶区内散射出的电子能谱。图6(d)中空心点为扣除本底后的实验数据，实线为模拟计算能量为150 MeV的电子在量能器中的能损分布。结合图6(c)和(d)的结果，表明所测量到的从靶区内散射出的高能电子绝大部分来源于电子与靶核的弹性散射。

图6 散射电子的位置分布与能谱Fig.6 Vertex distributions and energy spectra about the scattered electrons.

通过比较所测量到的弹性散射电子的角分布以及理论计算出的弹性散射截面，推测出当电子束流强度为200 mA时，散射实验的亮度可以达到约1027cm-2.s-1，已经达到了通过弹性散射测量电荷分布实验所需亮度[8-9]。放射性核素生成装置建成后，如果相同数目的放射性核素离子被束缚在SCRIT装置中并与电子发生弹性散射，那么将实现对放射性核素电荷分布的测量。为了精确测量并区分弹性散射电子与非弹性散射电子，一台动量分辨率为Δp/p≈0.1%的磁谱仪已经建造完成，计划于2014年进行测试实验，如图7所示。目前SCRIT电子与放射性核素装置正在升级改造中，预计将于2015年进行电子与放射性核素散射的测试实验，放射性核素132Sn将作为第一个目标核来进行研究。

图7 建造中的磁谱仪Fig.7 Magnetic spectrometer with the movable platform.

致谢感谢日本理化学研究所SCRIT研究小组以及日本东北大学ELPH研究中心对本次研究工作的帮助。

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13 Wang S. Scrit electron scattering facility at RIKEN[C]. Proceedings of the International Symposium on Exotic Nuclei, 2012: 383-390

CLCTL99

Electron scattering facility for short-lived nuclei at RIKEN

WANG Shuo

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Astronomy and Solar-Terrestrial Environment, School of Space Science and Physics, Shandong University, Weihai 264209, China)

Background: It has already been confirmed that the SCRIT (Self-Confining Radioactive Isotope Ion Target) method can be used for electron scattering experiment for short-lived nuclei. An electron scattering facility consisting of a microtron type electron accelerator (RTM: Racetrack Microtron), an electron storage ring (SR2: SCRIT-equipped RIKEN Storage Ring) and an ISOL (Isotope Separator Online) involving an RI generator, had already been constructed in 2010 at RIKEN Nishina Center to realize electron scattering experiments for short-lived nuclei with SCRIT technique. Purpose: Ions of stable nuclei,133Cs and132Xe, were used as targets to evaluate the performance of this facility. Methods: In the testing experiment, the energy of electron beam was set to 150 MeV. The stored electron beam current was ～200 mA with lifetime ～200 min. To determine the achievable luminosity, elastically scattered electrons were measured by a detection system, which consists of a drift chamber, plastic scintillation detectors and two calorimeters. The trajectories and energies of scattered electrons were determined by the drift chamber and two calorimeters. The detector system covers the scattering angle from 25° to 50°. Results: From the vertex distribution and energy loss in the calorimeters of scattered electrons, the number of elastic scattered electrons from target ions was obtained and the luminosity was determined to be nearly 1027cm-2.s-1at beam current 200 mA, which is the required luminosity to determine the charge density distribution of the target nucleus. Conclusion: Except for the RI beam generator, the other parts of SCRIT electron scattering facility have been already constructed. The first experiment for this facility will be elastic electron scattering for short-lived Sn isotopes including a doubly magic nucleus132Sn in 2015.

RI nuclei, Electron scattering, Electron storage ring, Ion trapping

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100523原子核的内部结构一直是核物理领域研究的重要问题之一。电子散射方法是研究原子核内部结构最有效的方法，其优点在于：(1) 电子是点粒子；(2)

山东大学青年培养项目(No.2014ZQXM021)资助

王硕，男，1981年出生，2010年于北京大学获博士学位，研究领域为放射性核素物理

2014-04-28，

2014-06-09