中子引起氘核破裂反应的实验研究

论文摘要

少体问题在核物理发展的早期阶段就受到了特别的关注，几十年来，通过大量的实验和理论研究，对少核子系统的研究已经取得了很大进展，利用各种现实核子—核子（N-N）势（如CD-Bonn，Paris，NijmⅠ和Ⅱ等），在很大程度上理论计算已经能够较好地再现各种几何条件下的三核子（3N）反应的实验数据。尤其是中子与氘核（nd）反应系统，由于没有库仑力的作用，可以得到严格的Faddeev方程的精确数值解。最近10多年来，理论上在描述中子与氘核的反应上取得了很大的进展，不管是弹性道还是破裂道，总的来说理论都能很好地描述实验数据，理论计算的精度也不断提高，因此也对实验提出了新的要求，促进了实验的发展。然而，理论与实验仍然在某些方面存在较大分歧，主要表现在：（1）低能矢量分析本领之谜，即在极化反应中，很多观测量实验与理论存在较大分歧；（2）空间星反常，在空间星型几何下，破裂截面的实验值与理论值存在较大分歧；（3）中子-中子（n—n）准自由散射，实验值也比理论预言大20％左右：（4）n—n散射长度ann，目前不同的实验得到的ann值仍有较大的分歧，因而对这一N-N相互作用的基本参量还无定论。本工作在如下两个方面做了比较细致的实验研究：首先是25.0 MeV中子引起氘核破裂反应的n—n准自由散射实验研究。由于实验测量的难度大，高质量的n—n准自由散射实验数据到目前为止还很少，因此高精度的实验数据对研究n—n相互作用和检验基于现实N-N势的3N系统的理论计算都是很有意义的。实验是在中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器上完成的。采用T（d，n）4He反应来获得25.0 MeV中子，这一中子源相对于D（d，n）反应中子源来说，破裂中子的干扰要少得多，因为其单能中子与破裂中子能量相差达约20 MeV，而后者单能中子与破裂中子的能量只相差约6 MeV。氚靶采用了φ10×75 mm的氚气体靶，实验中充以2.2大气压的氚气，为了保证氚气体靶的安全，在氚气体靶室前设计了一个φ10×30 mm、充0.3大气压氦气的氦气室作为缓冲，并用以监督氚气体靶入射窗是否破损，以保证氚气体靶的绝对安全。中子源在0度方向被屏蔽和准直后，与一个圆柱型（φ20×20 mm）的氘化聚乙烯（CD2）样品作用，两个大小为φ180×100 mm的BC501A液体闪烁体中子探测器置于与入射中子束成±42.2°方向、探测器中心距离CD2样品中心80 cm的地方来探测两个从准自由散射（QFS）来的中子。为了绝对确定QFS的中子能谱，在中子源与CD2样品之间放了一个与中子束方向垂直的聚乙烯薄膜，并用一个△E-E望远镜系统在30度角、E探测器距聚乙烯薄膜中心30cm的地方测量入射中子与聚乙烯薄膜相互作用的反冲质子，通过测得的反冲质子来精确确定入射中子的注量，从而绝对确定QFS的中子能谱。另外，为了验证这一能谱测量结果，还用一个大小为φ100×50 mm的ST-451液体闪烁体中子探测器，在60度方向以及探测器中心距CD2样品中心为2.5 m的地方测量n—C和n—D弹性散射中子，用n—C弹性散射微分截面作为归一来确定QFS中子的能谱，两种归一结果相互验证，提高了测量的可靠性。通过这些方法，实验测量所确定的中子能谱在QFS峰处的不确定度达到了约5％的水平。通过对两个中子的符合测量，大大提高了效应本底比。实验中也对偶然符合本底和无样本底进行了仔细测量，在数据分析中对系统刻度数据，本底扣除等都进行了仔细的分析。实验测量得到的数据用基于现实N-N势的理论数据作为基础，用Monte-Carlo方法详细模拟了实验的物理过程，模拟结果与实验测量得到的结果进行了比较。通过理论与实验的比较，我们的实验结果比基于CD-Bonn势的理论预言要高（16.0±4.6）％，对这一测量结果进行了详细分析，包括用其它核势的理论计算进行分析以及本实验结果与其它实验结果的比较与分析，阐明了在n—nQFS中，目前的理论计算还无法准确再现实验数据。其次，本论文还对n—n末态相互作用进行了实验研究，通过精确测量17.4 MeV中子引起氘核破裂反应中0度角附近出射的质子能谱来确定中子—中子散射长度ann。17.4MeV中子通过D（d，n）3He反应产生，氘靶采用的是φ12×42 mm、充4.2大气压氘气的氘气体靶，氘气体靶的两端都用10μm厚的Havar膜封装，靶的后端用一个0.5 mm厚的金片作为束流阻止片，同时也作为测量束流的法拉第筒，对束流阻止片进行了冷却。一个φ10×14.2 mm、充21大气压氘气的反应靶置于与入射氘束成0度、反应靶中心距中子源中心为9.0 cm的地方，反应靶两端都用75μm厚的Kapton膜封装。反应靶后面放置了一组金硅面垒型的△E-△E-E望远镜系统，用于测量中子引起氘核破裂反应0度角附近出射的质子能谱。E探测器距反应靶中心的距离为9.1 cm，望远镜系统用石墨进行了屏蔽，以排除中子与周围物质反应而出射带电粒子引起的干扰。对反应靶室和望远镜系统进行了冷却，以提高探测器的性能和延长其寿命，同时也增加反应靶的有效厚度。通过△E和E探测器的符合测量以及各种本底测量，有效地得到了质子和反冲氘能谱，并且有效地扣除了实验测量的各种本底，在此基础上，对得到的质子能谱进一步进行了本底修正（由入射中子与Kapton膜中的质子散射而降低其能量并且引起反应靶中的氘核破裂反应而引起的本底，无法由实验测量来直接扣除），由此得到了净质子能谱。用基于CD-Bonn、Nijm I和Bonn-B势的理论数据作为输入，用详细的Monte-Carlo方法模拟了实验的物理过程，通过模拟得到的质子能谱去拟合实验数据来确定ann，得到了实验测量的ann=-（16.5±0.9）fm。在这个实验中，理论预言的数据在被研究的整个能区中都能很好地与实验数据符合，相对于先前的实验来说，这说明我们的本底扣除和修正是做得比较出色的。本实验结果ann=-（16.5±0.9）fm与Bonn大学利用nd破裂反应运动学完全测量的结果ann=-（16.2±0.3）fm以及1990年以前nd破裂反应运动学完全测量的平均结果ann=-（16.7±0.5）fm在不确定度范围内是一致的；与先前利用nd破裂反应的运动学非完全测量得到的结果ann≈-15.5 fm也比较接近；但与利用D（π-，nn）γ反应以及近年来TUNL利用nd破裂反应的运动学完全测量得到的结果（≈-18.7 fm）却有较大的分歧。因此需要做更加深入的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• §1.1 问题的提出
• §1.2 三核子系统研究的物理观察量
• §1.3 运动学计算和几个基本概念
• §1.3.1 运动学计算
• §1.3.2 S曲线
• §1.3.3 三重微分截面
• 第二章 理论基础
• §2.1 核力的一般特征
• §2.2 低能N-N散射的相移分析
• §2.2.1 二体散射的相移分析
• §2.2.2 散射长度和有效力程
• §2.3 介子交换理论简介
• §2.3.1 核力的介子场理论
• §2.3.2 单π介子交换势
• §2.3.3 单玻色子交换势
• §2.3.4 Bonn势简介
• §2.4 现代核子-核子势
• §2.5 基于介子交换理论的二体散射
• §2.6 基于介子交换理论的三核子散射
• 第三章 三核子系统的研究现状
• §3.1 研究现状
• §3.2 本论文的研究目标和研究内容
• 第四章 25.0 MeV n-n准自由散射实验研究
• §4.1 中子源
• §4.2 屏蔽和准直系统
• §4.3 中子探测器
• §4.4 中子注量监测
• §4.5 电子学与数据获取系统
• §4.6 实验测量
• §4.7 数据分析
• §4.7.1 系统刻度数据的分析
• §4.7.2 事件数据的反演
• §4.7.3 本底扣除和纯效应谱的获得
• §4.7.4 测量数据的Monte-Carlo模拟
• §4.8 测量结果和讨论
• 第五章 17.4 MeV nd破裂反应的n-n末态相互作用实验研究
• §5.1 实验装置
• §5.2 实验测量
• §5.3 数据处理
• §5.3.1 数据反演和纯效应谱的获得
• §5.3.2 Monte-Carlo模拟和数据分析
• §5.4 测量结果和讨论
• 第六章 总结
• 在读博士学位期间参加的工作和相关的论文
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 氚气体靶操作规程
• 附录二 25.0 MeV n-n准自由散射实验测量的实验参数
• 附录三 25.0 MeV n-n准自由散射理论计算程序的输入输出
• 附录四 17.4 MeV n-n末态相互作用理论计算程序的输入输出