等时性质量谱仪中N=Z核质量测量的方法探索

N=Z核的质量数据对于研究rp-和νp-过程至关重要。此外,N=Z原子核的质量数据将会帮助我们解决与核结构有关的许多关键问题。结合碎片分离器的等时性质谱仪(Isochronous mass spectrometry,IMS)是十分快速有效而且高分辨的质量测量工具。由于N=Z核的m/q值非常接近,目前国际上的储存环质量谱仪CSRe/IMP和ESR/GSI还无法实现对N=Z核运用飞行时间谱进行鉴别,因而无法对它们进行质量测量。在日本理化学研究所的仁科加速器中心新建了专用的等时性质谱仪(IMS),即稀有放射性同位素储存环"Rare-RI Ring"(R3),以确定短寿命的放射性原子核的质量,其目标质量相对精度为10-6。R3质谱仪与高分辨的碎片分离器BigRIPS的组合,运用束流线的高分辨的离子鉴别,使得R3上的IMS方法对N=Z核进行质量测量成为可能。本文设计了专用的等时性束流光学设置,模拟了124Xe的主束经过碎裂反应产生的N=Z核在束流线中穿过各焦平面的径迹、能量、速度等信息,同时检验了这些次级束在环内的飞行时间相对于动量的变化关系。模拟的结果表明:当储存环的等时性光学设置在某一个N=Z核时,所有其它N=Z核在环内的回旋时间也与动量弥散无关,说明了这些核也满足等时性条件。基于N=Z核的这种等时性的特点,本文对R3上刻度N=Z核的方法也进行了讨论。

HIRFL-CSR上全剥离同核异能态离子的寿命测量

高电荷态离子的寿命数据被广泛应用于核物理及核天体物理等多个研究领域,在核废料处理等应用领域具有潜在应用价值。在兰州重离子加速器装置(HIRFL-CSR)上建立了一套基于等时性质量谱仪测量全剥离同核异能态离子寿命的实验方法。该实验方法在测量几十微秒到几百微秒时间尺度上发生的核衰变具有独特优势,尤其适用于开展全剥离同核异能态离子的衰变研究。飞行时间探测器记录离子的时间信号,通过这些时间信号可提取出每个离子的飞行时间信息并得到飞行时间与循环圈数的直线拟合残差。直线拟合残差就可以来鉴别衰变事件,基于衰变事件可得到全剥离同核异能态离子^(94)m Ru^(44+)的寿命。实验证明了基于储存环开展短寿命高电荷同核异能态离子衰变研究的可行性。

HIRFL-CSR上等时性质量测量进展

基于兰州重离子研究装置冷却储存环(HIRFL-CSR)发展了等时性质谱术(Isochronous mass spectrometry,IMS),高精度测量了一批短寿命原子核的质量并研究了核结构和核天体领域的相关物理问题。本文综述了IMS实验的原理和步骤,重点介绍了目前正在发展的双TOF探测器谱仪。利用双TOF质量谱仪在测量离子回旋周期的同时测量了离子的速度,用来修正实验结果,可以在很宽的动量接收度内实现高质量分辨,并消除离子动量分散带来的系统误差。双TOF等时性质谱术是全新的概念,需要针对性开发相关实验技术。我们建立了基于CSRe的模拟平台,研制了高性能TOF探测器并安装在CSRe直线段,进行了在线束流测试,发展了新的束流光学设置并进行优化,开发了实验数据处理方法并在做进一步优化,并对下一步工作进行了展望。

储存环中有效鉴别衰变事件的方法及在^(94m)Ru^(44+)寿命测量中的应用

兰州重离子加速器冷却储存环上的等时性质量谱仪是开展高电荷态、短寿命同核异能态衰变研究的理想装置。在短寿命高电荷态离子^(94m)Ru^(44+)的寿命测量实验中,我们直接观测到了^(94)Ru的8^(+)态isomer衰变到基态的过程。在观测时间窗口(20μs,180μs)范围内,鉴别出了49个衰变事件。为了能够鉴别出更多的衰变事件,研究了一种基于频谱幅度来指认衰变事件的方法。基于模拟结果,该方法可以有效鉴别(15μs,185μs)内的衰变事件。将新的鉴别方法应用到实验数据处理中,在(15μs,185μs)内,鉴别出了54个衰变事件。基于这54个衰变事件,计算得到^(94m)Ru^(44+)在实验室坐标系下的寿命为194(121)μs。新的寿命结果与之前的结果218(148)μs在误差范围内一致。

储存环HIAF-SRing等时性模式的非线性磁场影响研究

高精度环形谱仪SRing(Spectrometer Ring)是强流重离子加速器装置(HIAF)的重要组成部分,其等时性模式为远离β稳定线的短寿命原子核质量和寿命的精确测量提供国际领先的科研条件。为了扩大短寿命原子核质量测量精度和范围,SRing等时性模式设计了两种光学:γt=1.43和1.67。质量分辨是衡量等时性储存环的最重要参数。二极磁铁的高阶场以及磁铁的边缘场能强烈地引起束流光学高阶畸变,对质量分辨产生影响,因此需要高极磁铁对其进行校正。介绍了SRing等时性模式的线性计算,对非线性磁场的影响进行了详细研究。应用六极磁铁和八极磁铁对非线性场和发射度的影响进行了校正后,离子的循环时间标准偏差σ(T)/T达到3.5×10^(-7),质量分辨?m/m达到1×10~6。

全剥离离子94m^Ru^44＋的衰变研究

在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上,用等时性质量谱仪首次研究了百微秒量级全剥离离子^(94m)Ru^(44+)的衰变。^(94m)Ru^(44+)由初级束流112Sn轰击Be靶产生,经过放射性束流线RIBLL2的筛选后注入到等时性设置的实验环CSRe中,并利用安装在实验环中的飞行时间探测器测量离子在CSRe中的循环周期。^(94m)Ru^(44+)退激引起的质量改变会带来其循环周期的变化,由此直接观测到了^(94m)Ru^(44+)退激到基态的过程。确定了本次实验中衰变事例探测的灵敏区间,并讨论了衰变发生时刻的测量精度。同时,测量了短寿命核素^(94m)Ru^(44+)的质量,其半衰期约为100μs,这是目前储存环质量谱仪测量的最短寿命核素的质量。

放射性核素寿命计算方法的模拟研究

根据几种常用放射性核素的寿命计算方法,通过模拟数据研究了直接拟合法、对数时间法、极大似然法、观测时间受限时的极大似然法等四种寿命计算方法的适用范围。当观测时间不受限时,研究了在不同计数下寿命计算方法的适用范围。当观测时间受限时,研究了在不同观测时间窗口下寿命计算方法的适用范围。模拟中选用全剥离离子^(94m)Ru^(44+)作为目标核素,得到了不同计数及不同观测时间窗口下的寿命及其误差,并给出了四种方法的适用范围。^(94m)Ru^(44+)寿命的模拟结果与在兰州等时性质量谱仪上获得的实验结果在一倍标准偏差范围内一致,从而进一步验证了寿命计算方法的适用范围及模拟数据的可靠性。该模拟结果可为寿命测量实验设计提供理论依据和参考。

缺中子核素101In低位同核异能态的首次观测

在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上,用初级束流112Sn35+轰击了靶厚约10 mm的Be靶,产生了101In的基态和低位同核异能态。这些实验产生的碎片每25 s经过放射性束流线RIBLL2的筛选后注入到实验环CSRe中,利用飞行时间探测器测量离子在CSRe中的回旋周期。在此次实验中,磁场晃动会导致离子在环内的循环周期发生改变,传统的离子鉴别方法难以完成大部分离子的鉴别。通过发展和运用单次注入离子鉴别这一新的离子鉴别方法,有效地消除了磁场晃动对于离子鉴别的影响,并清楚地将101In基态和低位同核异能态鉴别出来,从而首次在实验中观测到101In的低位同核异能态。实验得到的激发能与理论外推值在112 keV的误差范围内一致,其低位同核异能态的寿命大于200μs。