HIRFL-CSR上短寿命丰中子核素的精确质量测量

发布时间：2017-03-30 02:16

  本文关键词：HIRFL-CSR上短寿命丰中子核素的精确质量测量，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：原子核是由两种费米子  质子和中子组成的量子多体系。质量是原子核的基本属性之一,它反映了在原子核内部核子与核子之间强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的综合效应。因此原子核的质量是理解原子核内部结构以及宇宙中元素的起源时不可缺少的信息。而对远离稳定线的奇异原子核的质量测量严重受限于它们极小的产生截面和极短的寿命。基于储存环的等时性质量谱仪(Isochronous Mass Spectrometry,IMS)已被证明是测量这一类原子核的质量的有效的工具。本文叙述了在兰州重离子研究装置(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL)中的实验环(experimental Cooler Storage Ring,CSRe)上开展的短寿命丰中子核素的首次质量测量实验。在实验中,初级束流86Kr28+在主环(main Cooler Storage Ring,CSRm)中被加速至460.65Me V/u,然后轰击15mm厚的9Be靶发生弹核碎裂反应,产生次级束流。反应产生的短寿命丰中子核素被放射性束流线RIBLL2筛选提纯之后注入到设置为等时性模式的CSRe中。利用安装在CSRe中的一个飞行时间探测器(Time of Flight,TOF)探测器被用来测量这些离子在CSRe中的循环周期,并根据此时间信息来推算出相应原子核的质量。在实验中,CSRe的二极磁场强度受到供电系统电压不稳定的影响会产生漂移,进而降低了IMS的质量分辨能力。在数据处理过程中,我们针对磁场变化对所有离子的循环周期造成的影响近似相同的性质,创造性地提出加权平移方法,并应用此方法修正了二极磁场强度漂移的影响,使得IMS的质量分辨能力(m/?m)达到了8.2×104。在本次实验中我们重新测量了39个核素的质量,提高其中16个核素质量精度。通过与之前相关实验结果对比,发现其中两次实验结果与本次实验的结果非常符合,其他实验结果都有系统性的偏差。因此重新确定了52-54Sc和56Ti四个核素的质量。我们的质量测量实验结果显示在21Sc同位素链中N=32处存在一个明显的壳层结构。且其壳能隙强度与20Ca同位素链中相当。本文中还利用已有的实验数据研究了等时性质谱仪的性能特点。我们根据束流光学的六维传输理论模拟了离子在实验环中的的运动,并重现了我们的之前开展的丰质子核素58Ni弹核碎片等时性质量测量实验的结果。在此基础上,我们研究了在该次实验数据处理的质量刻度过程中出现的系统性偏差的现象。通过模拟计算,我们发现引起质量刻度系统偏差有两个原因。第一个原因是离子的动量分布的形状不一致,第二个原因是不同的离子在TOF探测器中的能损不一致。这两种因素的影响有时候会互相抵消减小系统偏差,而有的时候会增大系统偏差。为了消除系统偏差,并提高等时性质谱仪的分辨能力,本文在最后提出了双TOF等时性质谱仪的具体测量方案,并首次提出了可行的数据处理方法。我们模拟了双TOF等时性质谱仪的实验,并处理了模拟数据。我们的工作显示双TOF等时性质谱仪不仅能够提高质量分辨能力而且能够消除在单TOF等时性质谱仪中出现的系统偏差,且双TOF等时性质谱仪的质量分辨能力也主要由TOF探测器的时间性能决定。
【关键词】：HIRFL-CSR 等时性质量谱仪 原子核质量 幻数 双TOF探测器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（近代物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O571.2
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 目录11-14
• 第一章 引言14-26
• 1.1 原子核质量测量的意义14-16
• 1.2 原子核质量测量的历史及现状16-19
• 1.2.1 质量谱仪的发展简史16-18
• 1.2.2 质量测量的方法18-19
• 1.3 同位素的产生与分离19-22
• 1.3.1 同位素的产生19-20
• 1.3.2 同位素的分离20-22
• 1.4 原子核质量评估22-26
• 第二章 储存环质量谱仪工作原理26-38
• 2.1 离子在储存环中的运动26-31
• 2.1.1 离子在储存环中的横向运动27-30
• 2.1.2 离子在储存环中的纵向运动30-31
• 2.2 储存环质量谱仪工作原理31-33
• 2.3 HIRFL-CSR等时性质量谱仪介绍33-38
• 2.3.1 HIRFL-CSR装置介绍33-34
• 2.3.2 飞行时间探测器系统介绍34-38
• 第三章 数据处理38-64
• 3.1 实验设置概述38-39
• 3.2 提取离子循环周期39-47
• 3.2.1 实验采集的原始数据39-40
• 3.2.2 原始信号的光滑降噪40-41
• 3.2.3 原始信号的定时41-45
• 3.2.4 离子循环周期的确定45-47
• 3.3 离子鉴别47-50
• 3.4 修正磁场晃动的影响50-55
• 3.5 质量刻度55-64
• 3.5.1 质量刻度的方法55-59
• 3.5.2 质量刻度可靠性检验59-62
• 3.5.3 质量刻度的结果62-64
• 第四章 实验结果及物理分析64-76
• 4.1 实验结果的质量评估64-69
• 4.1.1 实验结果的整体评估64-66
• 4.1.2 与GSI的实验结果的比较66
• 4.1.3 与TOFI的实验结果的比较66-69
• 4.1.4 原子核质量的重新评估69
• 4.2 相关物理讨论69-76
• 第五章 等时性质量谱仪的研究76-88
• 5.1 目前等时性质量谱仪存在的问题76-78
• 5.2 HIRFL-CSR的蒙特卡洛模拟78-80
• 5.3 造成等时性质量谱仪的系统偏差的因素80-88
• 5.3.1 影响离子速度分布的因素82-84
• 5.3.2 造成系统偏差的各个因素的影响84-88
• 第六章 双TOF等时性质量谱仪的原理及模拟88-102
• 6.1 双TOF等时性质量谱仪的原理89-91
• 6.1.1 双TOF等时性质量谱仪的设置89
• 6.1.2 双TOF等时性质量谱仪的原理89-91
• 6.2 双TOF等时性质量谱仪模拟结果91-102
• 6.2.1 模拟的条件91-93
• 6.2.2 模拟的结果及讨论93-102
• 第七章 总结与展望102-104
• 附录A 最小二乘法104-108
• 表格108-110
• 插图110-118
• 参考文献118-130
• 简历130-132
• 发表文章目录132-134

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