用特洛伊木马方法研究9Be(p,8Be)d天体能区核反应

蒋宗均

低能核天体物理方面的研究核天体物理研究的中心内容是核素的合成及其天体演化天体热核反应率是研究核合成理论复杂模型的一个主要参数为了得到天体核反应能区的热核反应率，我们需要测量与热核反应率密切相关的一个参数——反应截面

反应截面的直接测量对带电粒子来说，一般天体物理能区远低于他们的库伦位垒。由于库伦位垒的影响，核反应只能经由位垒穿透效应发生，反应截面随能量减小指数下降。人们不得已使用外推法，即使用较高能量的数据按其走势向低能区外推。天体物理学中引入随能量变化不敏感的 S(E) 因子进行外推 S(E) = E[σ(E)] exp(2πη) 其中 η 为索末菲 (sommer feld) 参数 :

Z1,Z2 为两粒子电荷数， μ ， E 分别为约化质量和质心系质量， α=1/137 为精细结构常数， c 为光速

12 21 2 2

1 2Z Z e cZ Z ( )

2E

新的困难一方面外推法必然会有一定的不确定性，可能存在低能共振及阈下共振随着向低能区的进一步深入，人们发现了新的问题——电子屏蔽效应电子屏蔽效应会导致反应截面异常升高 核天体物理 S(E) 因子低能区图由于可能存在低能共振或阈下共振的情况，将

S(E) 因子向低能区外推会引入一些不确定性。

电子屏蔽效应电子屏蔽效应：核反应理论研究的对象是裸核，而核反应实验中的靶核一般都是处于中性状态，入射粒子则通常是具有某种电荷分布的正离子。当质心系能量足够低时，靶原子的电子云对入射离子与靶核之间的库仑相互作用产生影响目前理论预言和实验结果符合的并不是很好

间接测量为了解决以上问题，人们发展了新的间接测量方法来研究低能区的裸核反应

我们要介绍的特洛伊木马方法 (Trojan-horse method,THM) 就是其中一种间接测量方法

特洛伊木马方法特洛伊木马方法是一种间接测量方法特别适合于带电粒子在低能区的裸核反应引入一个与感兴趣核反应密切相关的核反应来回避直接测量遇到的困难

特洛伊木马方法的基本思想

图 1 特洛伊木马方法示意图

准自由反应机制A+x->C+c 为感兴趣的两体反应a 为木马核，由松散的两个集团 x 和 b

组成A+a->C+c+b 为实际的三体反应选取合适的运动学条件，使 b 在反应

前后动量转移非常小

特洛伊木马方法的基本思想 入射粒子入射道粒子能量的选择，一方

面需要使得 A−a 体系的相对能量在其库仑位垒之上，从而避免库仑位垒导致截面剧烈下降致使实验上难以测量低能区的反应截面；另一方面需要使得 A−x 体系的相对能量趋近于零能量。

因为入射能量在库仑位垒之上，所以电子屏蔽效应的问题也随之解决 ( 相对于库仑位垒，电子屏蔽势可以忽略不计 )

图 2 x 在 a 内的费米运动可使 A-x 相对能量很小

串列加速器国家实验室北京串列加速器核物理国家实验室是我国主要的低能核物理研究基地。实验室的主要设备是一台大型串列式静电加速器和大型高分辨Q3D 磁谱仪，以及快中子飞行时间谱仪、在束 γ 测量谱仪、加速器质谱仪、放射性次级束流线、真空紫外光谱仪、核反应靶室等各种实验终端设备

串列加速器国家实验室

图 4 串列加速器示意图

实验仪器位置灵敏探测器 (Position Sensitive

Detector,PSD)ORTEC P 系列探测器是位置灵敏型带电粒子探测器，它产生两种类型的输出信号：一种输出信号包含了带电粒子在探测器中所沉积的能量信息；另一种输出信号提供带电粒子入射到探测器表面横向的位置信息。能量信号可以独立获取，就像普通带电粒子探测器一样使用；位置信号必须与能量信号作比较才能得到位置信息

实验仪器

图 5 PSD 示意图

接地

能量

位置

实验仪器双位置灵敏探测器 (Double-Position Sensitive

Detector,DPSD)

由两个 PSD 上下组合而成，用于探测 8Be 产生的双alpha 粒子

前置放大器

偏压

主放大器

前置放大器

快放大器 恒比定时器 门信号产生器 逻辑单元数模转化&定标器

PSD探测器 主放大器

数据采集系统

图 6 电路原理示意图

p

E

p

E

T

探测器刻度正式进行数据分析之前，需对探测器进行刻度，即将实验数据谱中的道数转换为相应的具体物理值，刻度内容包括 PSD 能量刻度以及 PSD角度刻度 ( 位置 )

能量刻度

图 7 能量二维实验谱和模拟谱比较

角度刻度

实验数据能量角度二维谱 模拟数据能量角度二维谱图 8

角度刻度

实验数据图 模拟数据图图 9 角度二维谱实验数据和模拟数据对比图

8Be 粒子的找寻

图 10 8Be 粒子实验谱图和模拟图

总结与展望特洛伊木马方法是一种间接测量方法，比较适用于直接测量很难或者目前没法解决的低能核物理问题上以 Geant4 为基础，建立了一套用于模拟特洛伊木马方法的模拟系统，并成功应用于一组实验数据的分析研究中这套模拟系统只是考虑了实验中最主要方面的影响，其他一些次要方面还要进一步研究改进仅仅应用于一组实验数据的分析中，可靠性有待进一步检验

谢谢！