HIRFL-CSR系统中主环外靶实验装置中中子墙的设计与研制

中子墙是HIRFL-CSRm加速器系统CSRm外靶实验装置中的关键设备，采用飞行时间法探测中子物质。为满足物理目标的要求，中子墙要对中子有高的探测效率(>90% @ 1 GeV)和好的能量分辨（δE/E<5%）。基于Geant4模拟计算，中子墙被设计为由36闪烁体单元和216量能器单元构成，所有单元分14层，每层18个单元，相邻层垂直排列。闪烁体单元尺寸分为1500(长)×80(宽)×80(厚) mm3，量能器单元为1500×80×70 mm3。其中量能器单元由5层10 mm厚和4层4 mm厚的钢板及2层2 mm厚钢板(最外两层)相间组成，5层晶体耦合到一个光导。信号从单元两端由滨松公司生产的R7724光倍管读出。在探测单元的研制中，重点研究了晶体包装材料、晶体与光导以及光导与光电倍增管间的光学耦合等关键问题。利用宇宙射线对模型单元进行了测试，研制的闪烁体单元和量能器单元平均时间分辨()分别好于80ps和100ps。建立了中子墙单元模拟程序，模拟了宇宙射线粒子入射到探测器单元中光子产生、传播以及光倍管对光子的响应和信号处理的全过程，模拟结果与测试结果有较好符合。基于此，进一步模拟了单元对中子入射的响应，估算了中子墙对不同能量中子的探测效率（>90% @ 1 GeV）和能量分辨（δE/E<5%）。为提高在中子墙建造过程中对所组装的探测单元进行检验和测试的效率，建立了多单元同时测试的宇宙线测试平台。基于此平台，不仅可以测量光输出和时间分辨，还可以得到被测单元的光传输衰减长度。建立了一套光学刻度系统，用于中子墙实验运行中的刻度和工作状态监测。本论文工作确保了中子墙建成后将达到设计指标、满足实验要求，论文工作中积累的经验和获得的知识为中子墙的制造完成以及运行奠定了坚实的基础

高电荷态238Uq+在碳膜中电荷平衡时间的研究

离子通过物质过程中与靶原子发生碰撞，碰撞中大量电子被俘获和电离。当电子俘获截面与电离截面达到平衡时，出射离子的电荷态分布达到一个平衡的分布，这个分布与入射离子的核电荷数、速度、壳层结构以及靶材料的性质有关。研究离子通过物质后的电荷态分布和电荷平衡时间对于研究高电荷态离子穿越物质层时的电荷转换及平衡过程具有重要意义。 本文论述了能量为0.8 MeV/u 238Uq+离子通过不同厚度碳膜后的电荷态分布，并对铀离子在碳膜中的电荷平衡时间进行了研究。 实验中束流采用兰州重离子加速器国家重点实验室（HIRFL）首次加速出的能量为0.8 MeV/u 238U26+离子束。本实验是首次在兰州放射性次级束流线（RIBLL）实验终端进行，采用的实验方法新颖。为了研究不同初始电荷态的铀离子通过不同厚度碳膜后的电荷态分布，实验中采取让初级束流 238U26+通过0.1µm厚度碳膜后形成一个电荷态分布，通过调节二极磁铁的控制电流从中选择某一电荷态轰击碳靶，进行电荷态分布研究。 实验对0.8 MeV/u 238Uq+(q=26，29，34，39)通过不同厚度碳膜（5µg/cm2，15µg/cm2，26µg/cm2和225µg/cm2）后的电荷态分布进行了研究。结果发现：能量为0.8 MeV/u的铀离子通过5µg/cm2厚度碳膜后，出射铀离子的电荷态分布未达到平衡；同样铀离子通过15µg/cm2厚度碳膜后，出射铀离子的电荷态分布已达到平衡，平衡平均电荷态为33.72+；由此通过计算得到铀离子在碳膜中的电荷平衡时间为1/3×5.4fs<=t<=5.4fs

利用碎裂反应研究6He和6Li的团簇结构

本文在碎裂反应实验的基础上研究了原子核的团簇结构以及晕核的特性。由兰州放射性束流线(RIBLL)提供的6He和6Li次级束与Be靶的反应，用24单元的CsI（Tl）阵列探测器测量了6He和6Li的碎裂产物的能量以及小范围内的角分布。用脉冲形状的方法鉴别出了6He与6Li的轻带电粒子碎片。通过重构不变质量谱的方法得到了RGM预言的6He和6Li的3核子共振态。拟合实验数据发现6Li在Ex=22.9MeV和Ex=30.3MeV出现t+3He团簇共振态，6He在Ex=19.2MeV和Ex=29.8MeV出现t+t团簇共振态。并且与理论以及其它的实验的结果进行了比较。这是在实验上首次通过重构不变质量谱的方法直接观测到6He和6Li的三核子共振态。比较了6He和6Li的碎片产生几率，结果表明丰中子的6He产生丰中子碎片的几率要比6Li大，而产生缺中子碎片的几率要比6Li低，结论与BLE的计算是一致的。通过比较6He和6Li反应产生3He和3H的截面角分布，发现丰中子核反应容易产生丰中子的碎片这种现象在前角区更为敏感，随着角度的增大差别逐渐变小。因此前角区的3H与3He的发射产额比是一个鉴别晕核的灵敏探针。用双碎片关联和电粒子产额估算了6He碎裂各出射道的分支比，还估算了6Li碎裂成双带电粒子出射道的相对比例。由出射道的分支比估算了自由发射的中子质子比，并且与QMD的结果进行了比较，发现晕核的自由发射中子质子比要比稳定核大，这也可作为鉴别晕核的一种探针。另外用同位旋相关的BLE(Boltzmann-Langevin Equation)模型计算了轻丰中子核反应中子团簇集团产生的截面，发现3，4n团簇的截面最大，其中4n的产生截面与实验值相近。还计算了丰质子核反应的轻带电粒子发射的同位旋效应，发现质子晕核反应中轻带电粒子的产额相对于稳定核会突然的增大。这也为寻找和判断晕核结构提供了新的手段

17B的实验研究

核反应总截面是描述原子核反应基本特征的一个重要的物理量，从中可以得到有关核反应、核结构和核内核子分布的信息。利用透射法测量核的反应总截面对于模型没有依赖性，因而得到的结果更加可靠。在兰州放射性束流线（RIBLL）上利用透射法测量了17B与C、Pb靶的反应，得到了17B与C、Pb的反应总截面和去除双中子截面，同时首次尝试用CLOVER探测器测量与碎片符合的γ能谱。利用半经验的Shen公式可以很好地拟合稳定核的反应总截面的实验结果，但是并不能很好地描述17B的实验结果，说明17B具有奇异结构。采用描述不稳定核的多种密度分布形式代入零力程的Glauber模型计算17B与C的反应总截面，并与实验结果进行了比较。发现采用Skyrme－Hatree－Fock（SHF）、双Gauss、Gauss＋HO计算的密度分布形式都能够很好地拟合整个能区内的实验结果。通过各种密度分布形式提取了17B的核子密度分布，发现17B的中子密度分布有很大的弥散，并证实了17B是由核芯15B加两个价中子组成的晕结构。将Skyrme－Hatree－Fock（SHF）、双Gauss、Gauss＋HO密度分布形式，输入Glauber模型与实验结果比较，提取了17B的物质均方根半径，不同密度分布提取的均方根半径值在实验误差范围内一致，也进一步验证了17B的晕结构。采用Woods－Saxon势来描述17B核外的价中子在核芯中形成的势场，通过解薛定鄂方程来求解价中子处于特定轨道的波函数。假设17B核外的价中子处于纯的s分波和d分波都不能很好地和实验结果符合。所以认为核外的价中子应该是混合组态，通过拟合实验结果求解出s分波谱学因子的值，证明核外的价中子处在2s1/2轨道的几率更大

弹核碎裂反应中类弹碎片产生机制研究

远离稳定线核素的性质研究是当前核物理和天体物理研究的热点之一，作为推进这一研究的重要工具，放射性束产生装置却由于对相关反应机制的缺乏了解，在应用过程中受到很大制约。因而前角区类弹碎片的产生机制研究对于放射性束产生装置的改进和实验设计具有重要的意义。 本论文工作利用兰州重离子加速器国家实验室的次级束流产生装置RIBLL，对57AMeV的40Ar束流在9Be和181Ta靶上反应产生的前角区类弹碎片进行了研究。通过磁刚度扫描方法，实验测量得到了Z>8核区近百种核素的动量分布和截面信息。 实验结果表明，在这一能区，碎片的高能部分主要来源于弹核碎裂过程，而在低能端，存在弹核碎裂和核子转移等其它过程的竞争。实验测量得到的碎片产生截面同EPAX2经验公式和AA模型计算相比较，在稳定线附近符合较好，但在远离稳定线区域，特别是丰质子区域，计算结果过高的估计了碎片截面。研究表明，在这一能区，碎片产生截面同弹核能量无关，但同靶核种类的关系不同于“factorization”假设的预计。 本工作对系统同位旋对碎片截面的影响也进行了研究，发现除弹核同位旋外，靶核同位旋对碎片同位素分布也有影响，这种影响随弹核能量的提高而减小。这是核子-核子作用截面的能量相关性等多种因素共同起作用的结果

寻找质子滴线核25P、26S

原子核的滴线是指原子核沿同位旋自由度从束缚态核变为非束缚态核的边界，也是原子核存在的极限。质子滴线是在缺中子方向的边界，中子滴线是在丰中子方向的边界。到目前为止，S 同位素的质子滴线核被认为是27S，P 同位素的质子滴线核是26P，虽然有实验发现了25P，但是还没有被重复，需要进一步的确认。而理论模型计算表明束缚态的26S 和25P 是存在的，因此寻找25P、26S 一直是一个很有意义的课题，如果能够确认25P 和26S 的存在与否，不仅可以检验相关理论模型的正确性，确认原子核在同位旋自由度上的存在极限，帮助人们对核力的进一步深入认识，而且对于天体物理，宇宙演化及元素的形成等都有着重要的科学意义。本论文介绍了2008 年6 月在兰州放射性束流线(RIBLL)上进行的专对25P、26S存在与否寻找的实验，并分析了实验数据。实验使用80.387MeV/u32S 初级束轰击9Be 初级靶，经过RIBLL 对次级束产物进行了分离以后，利用Bρ+ΔE+ER+TOF 联合鉴别的方法对次级束产物了鉴别。重离子在CsI 探测器中沉积能量与光输出响应之间满足一定的经验公式，本文利用RIBLL 上的次级束产物刻度了粒子在CsI(Tl)探测器中的能量沉积与光输出响应的光输出曲线，通过一组刻度数据可以确定核素在CsI 探测器中光输出响应道数，发现粒子在CsI(Tl) 探测器中信号的ADC 读出与CsI(Tl)探测器的光输出(QDC 读出)具有很好的线性关系。论文最后比较了实验统计数据与EPAX 经验公式计算结果，并利用计算结果与实验数据分析结果估算了25P、26S 的半衰期上限

三维电磁场数值模拟在腔体设计中的应用——新B1聚束器的腔体设计

为了提高HIRFL的束流指标，特别是束流强度，以满足放射性次级束流线（RIBLL）及大科学工程兰州重离子冷却储存环（CSR）对束流的更高要求，目前 HIRFL 正在进行很多方面的改造，其中之一便是建造一台新聚束器B1来改善注入器 SFC 与主加速器SSC之间的给向匹配。为了克服非线性效应，新B1设计工作在多模式下，频率范围为 22MHz～54MHz，最高电压达110kV。由于较宽的工作频率范围、较高的电压及有限的空间位置，新B1聚束器的腔体设计存在许多困难。本论文的主要工作便是设计新B1聚束器的腔体。主要工作可分为三部分：1．腔体设计：在这部分，我们利用三维电磁场模拟程序－MAFIA，辅之以传输线近似法，设计出了满足物理要求的腔体方案，给出了模拟计算所得到了的腔体主要参数，并就这些参数的可信度进行了评估。2．耦合环设计：在这部分，我们利用 MAFIA 模拟得到的结果，从腔体的等效集总电路出发，推导出了耦合环参数与腔体特性参数之间的关系，并设计出了满足物理要求的耦合方案。3．冷却系统设计：这部分的主要工作为从对流、传导换热理论出发，结合新B1的实际，建立了自己的传热模型，设计了新B1腔体的冷却系统，计算了腔体的最高工作温度，并讨论了工作温度的升高对腔体性能的影响。另外，在论文的最后一章还介绍了其它一些工作，主要包括SFC中 Dee 电压分布计算、原B2腔体的实验研究以及原B1腔体的传输线近似法模拟。

丰质子奇异轻核反应总截面测量

核反应总截面是表征原子核反应基本特征的一个基本量，从实验测得的核反应总截面中可以得到有关核反应、核结构和核内核子分布的信息。在由放射性束流所产生奇的结构与各种反应机制研究中，反应总截面的测量更是具有特殊的重要性，具有奇异晕核结构的核的一个典型的物理现象就是其反应总截面要比稳定核大很多，Tanihata等人最早就是通过对放射性束流的相互作用截面的测量发现了具有奇异结构的核，即中子晕核。这次实验结果得出的跟放射性奇异核性质等有关的一些有趣现象，为放射性束核物理的研究注入了新的活力。我们采用能量为80MeV/u的初级~(20)Ne束轰击3mm厚的初级Be靶，在RIBLL上测量了由初级靶上产生碎裂反应所得到的次级~(12)N, ~(17)F和~(17)Ne等质子滴线核在硅靶上的中能核反应总截面，从而进一步补充了现有的中能区奇异核反应总截面测量的空白，并对现有的数据进行了检验。由于~(12)N, ~(17)F和~(17)Ne都是有争议的可能具有奇异质子结构（质子晕或质子皮）的核，测量它们在中能区的核反应总截面，可以对上述说法的成立与否提供实验上的验证。在与相邻同位素核的反应截面测量结果的比较中，发现实验得出的这些奇异核的截面值都偏大，而且由相对论平均场（RMF）计算得到的它们的质子密度分布明显比中子分布松散的多，因此推断它们可能具有奇异质子分布结构。并且基于库仑修正后的微观Glauber模型的理论计算出这些奇异核反应截面的结果同我们得出的实验数据吻合得很好。为了更精确地进行奇异核反应总截面的测量，研制了两种双维位置灵敏平行板雪崩电离室（PPAC），可以放在待测硅靶前，用来选择小于一定入射角的次级束粒子，有助于得到更准确的结果。该PPAC的有效探测面积为50 * 50mm~2，分别采用电荷分除法和延迟线读出的方法确定入射粒子的位置，并具有结构简单、价格便宜的特点。用三组分α源(5.155Mev~(239)Pu, 5.486 Mev~(241)Am, 5.806Mev~(244)Cm) 对探测器进行了测试，由阴极电荷分除读出法得到的位置分辨（FWHM）约为1.5mm。

20Ne轰击Be靶碎裂产物核反应总截面的测量

核反应总截面是表征原子核反应基本特征的一个基本量，从实验测得的核反应总截面中可以得到有关核反应、核结构和核内核子分布的信息。在由放射性束流所产生奇异核的结构与各种反应机制研究中，反应总截面的测量更是具有特殊的重要性，具有奇异晕核结构的核的一个典型的物理现象就是其反应总截面要比稳定核大很多，I．Tanihata等人最早就是通过对放射性束流的相互作用截面的测量发现了具有奇异结构的核，即中子晕核。这次实验结果得出的跟放射性奇异核性质等有关的一些有趣现象，为放射性束核物理的研究注入了新的活力。我们采用能量为80MeV／u的初级束~(20)Ne轰击3 mm厚的Be靶，在RIBLL上测量了由初级靶上产生碎裂反应所得到的次级~(12)N，~(17)F和~(17)Ne等质子滴线核在Si靶上的中能核反应总截面σ_R，从而补充了现有的中能区放射性核反应总截面的实验数据。由于~(12)N，~(17)F和~(17)Ne都是理论预言可能具有奇异质子结构(质子晕或质子皮)的核，测量它们在中能区的核反应总截面，可以对上述预言提供实验上的检验。在与相邻同位素核的反应截面测量结果的比较中，发现，~(12)N，~(17)F反应截面值明显偏大，~(17)Ne的截面值没有异常。利用基于库仑修正和有限程修正后的微观Glauber模型拟合实验数据，我们发现：对于~(12)N，理论计算反应截面曲线同实验数据明显偏离，因此，它可能具有奇异结构；对于~(17)F，曲线与实验数据符合，没有给出奇异结构特征；对于~(17)Ne，实验和理论分析都没有发现奇异结构。对核反应总截面进行研究的一个有用的理论就是G1auber模型，该模型是一种基于自由核子－核子(N－N)碰撞的与核物质密度有关的理论，因而能够从实验测量到的反应总截面中提取核物质分布的信息。但现有的理论模型不能正确描述中能下核反应总截面。为了改变这一现象，我们对其进行了有限程的修正，并引入一种能够正确描述核物质密度分布的双参数的费米分布，使得实验结果与理论计算在中、高能下都符合的很好。对于奇异核的描述，我们采用核芯加奇异核子的方法，并带入Glauber模型中进行计算，结果与实验值完全重合。这也说明了我们采用的形式正确描述了奇异核的存在方式。

SSC注入束流的性质研究

HIRFL是一个组合式回旋加速器系统。束流经SFC预加速后注入SSC进行第二次加速，SFC和SSC必须满足严格的匹配关系。多年的运行表明，束流从SSC注入系统到进入正常加速轨道这一段，影响的因素比较多，束流损失很大。为了提高SSC注入效率，以满足放射性次级束流线（RIBLL）及兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）对束流的更高要求，论文对影响SSC注入系统的部分相关因素进行了研究，以便提供对HIRFL的运行调束和升级改造有参考价值的结果。主要工作可分为三部分；（1）理论等时场下SSC注入量的接收范围。通过数值模拟计算了三种典型离子的注入轨道，考虑了高频电压幅度的影响，得到了SSC在理论等时场下的能量可接收范围，并给出了注入系统的参数。（2）剩余拢动场对SSC注入系统的影响。计算了存在剩余拢动场时SSC注入轨道的变化，找出了目前高频电压加速较轻的重离子时束流损失较大的原因，给出了相关参数。（3）注入条件的变化对束流轨道的影响。注入条件的变化会引起束流轨道的进动，论文对存在剩余拢动场时利用不流轨道进动提高注入和引出效率进行了初步研究。

CSR中束流变压器的分析设计及射频堆积计算机模拟程序

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR），作为一个新型加速器，对监控它运行的探测器性能提出了新的要求，研制新型、高精度、高性能的探测器是CSR建立的必然要求。我们为它设计了两种基于二次电子的飞行时间探测器。该探测器具有极好的时间分辨、非常少的能损和多重散射。特别在超重粒子的合成试验中，探测超重粒子非常合适。本论文包括四个章节。第一章综述了飞行时间探测器技术，简单介绍了RIBLL的飞行时间系统和CSR的飞行时间系统以及测量飞行时间的基本原理；并简单介绍了CSR束流诊断系统束流诊断元件的分布、种类及参数和本论文的研究工作及意义。第二章是和本论文飞行时间探测器有关的一些知识。简要阐述了二次电子发射原理；并对探测器用到的主要放大元件微通道板作了详细介绍。第三章和第四章详细论述了研制的两种基于二次电子的飞行时间探测器。它们分别采用电场和磁场将二次电子偏转到微通道板上放大来得到时间信号。详细介绍了探测器的结构、参数；并测量了它们的时间分辨。此外，还研制了一种非拦截式的束流诊断元件一一容性相位探针，包括探针的结构及测试结果。

20Na、23Al、24Si的b＋缓发粒子发射及相关的天体反应率的实验研究

以兰州放射性束流线装置(RIBLL)为依托,利用弹核碎裂机制产生了远离稳定线的核素,通过研究一些放射性核素<'20>Na、<'23>Al、<'24>Si的β<'+>缓发粒子特性,并结合核结构的测量,初步研究了<'16>O(α,γ)<'20>Ne、<'22>Na(p,γ)<'23>Mg以及<'23>Mg(p,γ)<'24>Al反应.实验测量到了β<'+>缓发母核(先驱核)的半衰期,缓发粒子的能谱和相对强度,并根据壳模型计算指定了部分激发能级的自旋,进而得到了它们的相对共振强度以及热核反应率等.通过实验,我们测量了5.627,5.788,6.725MeV等几个<'20>Ne<'*>的低能缓发α粒子能级,得到<'20>Na的其半衰期T<,1/2>=459±7ms,给出了10.584MeV和10.843MeV的两个能级的相对共振强度分别为0.59eV、1.2eV,计算了其直接俘获的贡献和低能共振态对反应率的贡献;对于<'22>Na(p,γ)<'23>Mg反应,我们重点测量了<'23>Mg的靠近<'22>Na+p俘获阈附近的能级,将探测器的探测阈降低到了200KeV左右,并新发现了一条激发能级具有缓发质子的特性,其能量为8.916MeV(衰变质子能量为1.337MeV),为了验证测量结果的准确性,我们进行了第二次测量,结果证实了8.916MeV及9.598MeV能级具有缓发质子特性,其中9.598MeV能级的缓发质子在2000年被K.Perajarvi等发现,并又新测量到了能量为8.990,9.060,9.138,9.374MeV的四个能级也存在缓发质子特性.实验得到<'24>Si的衰变半衰期为104±10ms,第一次测量到<'24>Mg低能的几个衰变质子谱线,它们在天体物理中具有重要的作用.

6He奇异核结构性质及反应动力学研究

本论文通过在兰州放射性束流线（RIBLL）上进行的6He同Si靶和Pb靶反应实验测量得到了6He与Si靶、Pb靶反应总截面和去除双中子截面以及6He与Si靶、Pb靶反应弹核碎裂产生4He碎片的纵向动量分布。采用能够很好描述正常核反应总截面的半经验的Shen公式计算了4，6 He同Be，C，Al，Si靶的反应总截面。对于4He，从低能到高能理论计算和实验数据符合很好。但是对于6He，理论计算和实验数据符合不好。通过SHF理论、RMF理论、RDDH理论、各种核子密度分布形式（2PHO-tyPe，HO-tyPe，2PFM-tyPe及新提出的修正的费米密度分布MFM-type）计算出6He的各种密度分布（包括晕核密度、皮核密度及正常核密度），带入Glotlber模型计算了6He同Be，C，Al，Si靶的反应总截面以及双中子去除截面，只有使用晕核密度理论计算才能够很好地符合实验数据，进一步证实6He具有双中子晕核结构，确定其基本构型。比较了轻靶（Si革巴）和重靶（Pb靶）电磁离解效应刘一反应总截面和去除双中子截面的影响，重靶电磁离解效应明显。采用能够很好描述稳定核的动量分布宽度的Goldllaber理论、Morrissey经验公式、W.A.Friedman的重离子弹核碎裂模型，以及Lise小组发展的Lise程序，计算了6He与Si靶和Pb靶反应弹核碎裂产生的4He碎片的纵向动量分布，也同样证实了6He具有双中子晕核结构。论文最后，利用同位旋相关的Boltzmann-Langevin方程（IBLE）计算稳定核4He和奇异核6He同c靶的反应系统来研究6He反应动力学特性，研究反应产生的核素产生截面，以及4，5 He产生截面随碰撞参数的变化。

奇异核8He结构性质的研究

透射法测量核的反应总截面对于模型没有依赖型，因而得到的结果更加可靠。在兰州放射性束流线（RIBLL）上采用透射法测量SHe与Si的反应得到了SHe与Si的反应总截面、推出SHe的密度分布半径。去双中子截面和去四中子截面，同时也得到了SHe与si的反应产物6He、4He的纵向动量分布。采用多种密度分布形式（包括用SHF理论和RMF理论计算的到的密度分布）输入Glauber模型计算SHe与si反应总截面并与实验结果比较，发现对稳定核适用的密度分布不能很好的描述SHe的密度分布，这说明了SHe的奇异结构。另外，采用4He为核芯的密度分布形式计算SHe与Si的反应总截面与实验结果一致，说明SHe有4He为核芯加四个价中子的结构。采用可以很好描述稳定核动量分布的Goldllaber等理论计算6He、4He的纵向动量分布。用以上模型计算的结果与实验结果比较，发现6He的纵向动量分布远小于计算值。采用 Glauber模型计算奇异核纵向动量分布，结果与实验值较接近，由6He的纵向动量分布认为SHe有双中子晕的特征。论文也采用了BUU模型计算SHe的反应总截面，同样和实验结果很好的符合。另外，采用由输运方程得到的IBLE方程计算了SHe的去双中子截面和去四中子截面。计算结果远小于计算结果，原因在于IBLE方程中的并合模型对反应产物的判定条件没有考虑未定核与奇异核的差别。