低能氢、氘离子束在金属锂靶中引起的6Li+d和7Li+p反应研究

论文摘要

在核天体物理中,核反应过程的研究对了解早期宇宙的形成和恒星的演化起着关键作用,所以与天体物理相关的核反应截面（σ（E））必须得到准确地测量。然而,由于反应核子之间库仑势的排斥作用,在天体物理学能区核反应截面的直接测量显得异常困难。因为当粒子动能远低于反应核子的库仑位垒时,核反应截面随能量的降低而急剧下降,所以通常的做法是将该能区的核反应截面用随能量降低而变化缓慢的天体物理学S（E）因子表示。在不受环境电荷的干扰时,裸核的核反应截面为σbare（E）,相应的天体物理学因子为Sbare（E）。然而,在实验室条件下靶（或弹）核通常是处于一定的电荷环境中,甚至是以中性原子形式存在。因此,部分环境电荷将对反应核子之间的排斥库仑势起到屏蔽或削弱作用,使得实际测量的核反应截面有所增强（σscreened（E））,相应的S（E）因子为Sscreened（E）。与裸核核反应截面相比,实际测量截面增强了f（E,Us）倍,其中f称为核反应截面的增强因子,Us为环境电荷提供的屏蔽能。轻核反应的Sbare（E）因子-般采用参数化的多项式表示,其通常由拟合高能区（Us/E<<100）实验数据得到。然后,通过拟合屏蔽效应较为明显的低能区实验数据得到环境电荷的屏蔽势（Us）。近年来,有大量报道表明在金属环境中D+d和6/7Li+d/p反应的屏蔽势存在异常增强现象。与气体环境相比,在金属环境中不仅要考虑束缚电子的屏蔽作用而且还要考虑自由电子的屏蔽作用。然而,金属环境中D+d反应屏蔽势的测量结果显示,在绝大多数金属环境中Us>300 eV,这远远超出了电子屏蔽势的理论期望值（～80 eV）。金属环境中6Li（d,α）4He和7Li（p,α）4He反应的屏蔽势测量值甚至超过1000 eV,例如：在PdLix靶中,Us=1400±480 eV和3790±330 eV；在固态锂靶中,Us=1280±60 eV。这些异常的实验结果迫切要求对金属环境中低能核反应的屏蔽效应开展更深入的研究工作。本论文工作利用固态和液态金属锂靶进行相关实验测量,其目的主要是：1)、通过比较气态、液态和固态环境中屏蔽势的差异,观测屏蔽势是否受物相的影响；2)、通过比较不同温度的液态锂环境中屏蔽势的差异,观测屏蔽势是否受温度的影响。本研究工作是在日本东北大学理学部原子核研究所的低能强流加速器平台上开展的。分别利用低能（22.5～70 keV）质子束和氘束轰击纯金属锂靶,并通过改变锂靶的物相或温度观测6Li（d,α）4He和7Li（p,α）4He反应出射带电粒子产额的变化。通过比较固态环境和液态环境以及文献报道的气态环境中的屏蔽效应,发现：固态和液态环境中6Li（d,α）4He反应屏蔽势的差异为74±68 eV,7Li（p,α）4He反应屏蔽势的差异为98±176 eV;气态和液态环境中6Li（d,α）4He反应屏蔽势的差异为235±63 eV,7Li（p,α）4He反应屏蔽势的差异为140±82 eV。通过与文献报道的气态环境中6Li（d,α）4He反应屏蔽效应的比较,得到不同温度的液态锂靶中屏蔽势存在明显的差异。如,T～222℃时,ΔUsliq.-mol.=297±40 eV;T～259℃时,ΔUsliq.-mol.=260±32 eV；T～303℃时,ΔUsliq.-mol.=223±36 eV和T～327℃时,ΔUsliq.-mol.=119±35 ev；然而,Sbare（E）因子的不确定性使得无法得到各种条件下屏蔽势的绝对值。在实验数据分析中,通过比较厚靶条件下的修正S（E）因子（S*（E））,得到了各种环境中的屏蔽势与Engstler等人测量的分子环境中屏蔽势的差异。本论文实验结果显示：1)、屏蔽势受物相影响（Uliquid>Usolid>Ugas）；2)、屏蔽势受环境温度影响（Us（Tlow）>Us（Thigh））。本论文研究工作在国内外尚属首次。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 核天体物理学
• 1.2 垒下融合反应
• 1.3 屏蔽效应
• 1.4 本工作的目的、内容及意义
• 参考文献
• 第二章 相关理论与研究动态
• 2.1 垒下融合反应速率
• 2.2 天体物理学因子（S（E））
• s）'>2.3 屏蔽效应（U_s）
• 2.3.1 束缚电子的屏蔽效应
• 2.3.2 自由电子的屏蔽效应
• 2.3.3 自由离子的屏蔽效应
• s））'>2.4 核反应速率的增强因子（f（E,U_s））
• 2.5 国内外研究进展
• 2.5.1 气体环境
• 2.5.2 固体（绝缘体）环境
• 2.5.3 固体（导体）环境
• 参考文献
• 第三章 实验设备与方法
• 3.1 实验设备
• 3.1.1 低能强流加速器
• 3.1.2 真空靶室
• 3.1.3 数据获取系统
• 3.2 Li靶的制备
• 3.2.1 Li靶的制作过程
• 3.2.2 Li靶密度随温度的变化
• 3.3 测量条件
• 3.3.1 二次电子的抑制
• 3.3.2 Li靶的清洁
• 3.3.3 Li靶温度的控制与测量
• 参考文献
• 第四章 实验结果
• 4.1 Li+p/d反应的出射带电粒子能谱
• 4.1.1 固态Li靶
• 4.1.2 液态Li靶
• 4.2 实验条件的监测
• 4.2.1 产额随时间变化的监测
• 4.2.2 实验过程中温度的监测
• 4.2.3 厚靶产额随Li靶相变的关系
• 4.3 厚靶产额的激发函数
• 4.3.1 固/液态锂中屏蔽势差异的测量
• 4.3.2 液态锂中屏蔽势温度效应的测量
• 第五章 结果分析与讨论
• 5.1 厚靶产额的理论计算
• 5.1.1 角分布
• 5.1.2 立体角转换
• 5.1.3 S（E）因子
• 5.1.4 阻止本领
• 5.2 各种环境中屏蔽势计算
• 5.2.1 屏蔽势的计算
• 5.2.2 解析结果的讨论
• *（E）因子的定义'>5.3 S^*（E）因子的定义
• harc（E）对应的S^*（E）因子'>5.3.1 不同S_harc（E）对应的S^*（E）因子
• *（E）因子'>5.3.2 分子靶中的S^*（E）因子
• *（E）因子'>5.3.3 液态靶中的S^*（E）因子
• 5.4 固、液态环境中屏蔽效应的比较
• 6Li（d,α）⁴He反应'>5.4.1⁶Li（d,α）⁴He反应
• 7Li（p,α）⁴He反应'>5.4.2⁷Li（p,α）⁴He反应
• 5.5 气、液态环境中屏蔽效应的比较
• 6Li（d,α）⁴He反应'>5.5.1⁶Li（d,α）⁴He反应
• 7Li（d,α）⁴He反应'>5.5.2⁷Li（d,α）⁴He反应
• 5.6 液态Li环境中屏蔽势的温度效应
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 载体相变对屏蔽效应的影响
• 6.2 环境温度对屏蔽效应的影响
• 6.3 回顾与展望
• 本人在攻读博士期间发表的文章
• 简历
• 致谢