低能裂变反应中的Z=质子壳效应

1、低能裂变反应中的低能裂变反应中的Z=50质子壳效应质子壳效应 韩洪银，王涛峰，王黎明韩洪银，王涛峰，王黎明孟庆华，朱丽萍，夏海鸿孟庆华，朱丽萍，夏海鸿中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院北京北京275信箱信箱46分箱分箱一一前言前言(1)当裂变核在动力学效应控制下从鞍点到断点运当裂变核在动力学效应控制下从鞍点到断点运动时，大块核物质的移动和安排将必然发生。动时，大块核物质的移动和安排将必然发生。换一句话说，在能量守恒、角动量守恒和换一句话说，在能量守恒、角动量守恒和K量量子数近似守恒条件下在能级交叉处发生的核子子数近似守恒条件下在能级交叉处发生的核子激发是与核的壳效应和对效应密切相关的，是

2、激发是与核的壳效应和对效应密切相关的，是以裂变核集体动能的减少为代价的。可以预期，以裂变核集体动能的减少为代价的。可以预期，裂变碎片的质量分布，核碎片的电荷分布和碎裂变碎片的质量分布，核碎片的电荷分布和碎片的动能分布以及它们间的关联都直接与核动片的动能分布以及它们间的关联都直接与核动力学效应相关。因此，研究这些物理量间的关力学效应相关。因此，研究这些物理量间的关联变化能提供我们裂变核集体运动与粒子激发联变化能提供我们裂变核集体运动与粒子激发间的耦合程度，即少核子系统的统计过程与微间的耦合程度，即少核子系统的统计过程与微观核量子过程间的相互作用信息观核量子过程间的相互作用信息,提供我们核的提供我

3、们核的壳效应和对效应知识壳效应和对效应知识。(2)(2)从从一方面来说一方面来说, 裂变碎片的质量分裂变碎片的质量分布和电荷分布直接与裂变反应的能布和电荷分布直接与裂变反应的能量释放相关。这些物理量的测量有量释放相关。这些物理量的测量有助于我们对核链式反应的描述和理助于我们对核链式反应的描述和理解，从而对我们更好地利用核裂变解，从而对我们更好地利用核裂变能具有重要的实际意义。能具有重要的实际意义。(3)与碎片质量分布实验测量相比，碎与碎片质量分布实验测量相比，碎片电荷分布的实验研究远是不能满片电荷分布的实验研究远是不能满足实际应用的需要。足实际应用的需要。 鉴于上述情况，我们从基础研鉴于上述情

4、况，我们从基础研究的角度出发测量了究的角度出发测量了252Cf(sf)反应的反应的碎片电荷分布。碎片电荷分布。二、现有文献报导的裂变碎片二、现有文献报导的裂变碎片电荷分布测量方法电荷分布测量方法 在今天，大体说来，可供我们用来在今天，大体说来，可供我们用来确定核碎片电荷确定核碎片电荷 的方法有：的方法有： (1)放化放化法；法；(2)2)裂变碎片与裂变碎片与K K x x射线符合测射线符合测量法；量法；(3)晶体球晶体球符合技术；符合技术；质谱仪质谱仪+ +测量技术测量技术; ;(5)碎片电离径碎片电离径迹重心法。迹重心法。原则上讲，上述原则上讲，上述方法方法都都可用来测量裂变碎片的电荷分布，

5、可用来测量裂变碎片的电荷分布，但在使用它们时都会遇到不同的，但在使用它们时都会遇到不同的，甚至是无法克服的技术困难。甚至是无法克服的技术困难。三、碎片电荷分布的测量技术 用用探测器测量探测器测量碎片核电荷分布碎片核电荷分布的基本的基本物理思想是：物理思想是：在固定碎片核质量在固定碎片核质量A*和动和动能能EK条件下，碎片核在条件下，碎片核在探测器中的能探测器中的能量沉积或量沉积或碎片核通过能量吸收片后的残碎片核通过能量吸收片后的残存能量是碎片核电荷的直接量度。存能量是碎片核电荷的直接量度。质谱质谱仪仪+ +望远镜技术的要点是，用望远镜技术的要点是，用粒子粒子探测器测定电磁分离器出口碎片探测器测

6、定电磁分离器出口碎片(固定A*和和EK)的的能谱。我们根据这一能谱。我们根据这一思想创建思想创建了测量碎片电荷分布的了测量碎片电荷分布的孪生屏孪生屏柵柵电离室电离室+ +望远镜技术。望远镜技术。四四、孪生屏孪生屏柵柵电离室电离室+ +望远镜技术望远镜技术 下面是孪生屏下面是孪生屏柵柵电离室电离室+ +望远镜望远镜系系统内部结构示意图统内部结构示意图, 右面部分为右面部分为探测器。探测器。所有电极安装在所有电极安装在taflon杆上。杆上。 A1 G1 C G2 A2 SD流动式的工作气体为流动式的工作气体为200 torrs 10% CH4 + 90% Ar的混合气体。气体压力由一个电磁气体压

7、力的混合气体。气体压力由一个电磁气体压力稳定器控制，稳定器控制，1%；V(C-G1)=V(C-G2)= 0.9 V/cm Pa; V(G1-A1)=V(G2-A2)= 1.5 V/cm Pa。Cf-252五、数据获取条件(1) 两面蒸金252Cf薄膜裂变源:3000 f/s。PI: 45.7gcm2,Au: 24.5gcm2和16.6gcm2。 (2) 探测器对源的张角约为4空间的3%,它的入射窗：Au: 24.5gcm2和16.6gcm2 ，PI:45.7gcm2, 。(3)合适的工作气体压力,使轻碎(A110amu)在中沉积能量约为它们动能的40%。(4) 每个裂变关联事件由(A1,G1,

8、A2,Er)等四个信号构成， 所有的测量信息按event by event方式记录在硬盘上，供离线FORTRAN分析用六、数据测量 简化的测量电子学安排如下示。 A1 G1 A2 SD timingPAPAPAPAMAMAMAMADADADADAKODAQSYSTEML.G.C.七、数据数据的FORTRAN程序分析EA1 =A1+B1 P1 (1)PG=P0(1 X cos /D) (2) =Ad+Bd Pd (3)Er =(a+aM2)Ps+(b+bM2) (4) 为了进行迭代计算，还需要下面公式。为了进行迭代计算，还需要下面公式。E1= EA1+PHD1+ En1 (4)E2= f+PHD

9、2+ Er + Eloss+En2 (5)f(AL , EL , Z) =( +PHD2+Eloss) cos (6) 计算计算Eloss,En2 , En1,M2时还时还需要实验测量到需要实验测量到的的 (TKE,A)数据。迭代计算得到固定轻碎片数据。迭代计算得到固定轻碎片质量质量AL和动能和动能EL下的下的 能谱。能谱。八八、 f(AL , EL ,Z)的多高斯拟合的多高斯拟合(1) 对碎片质量AL=110amu和碎片动能EL =90, 99, 119MeV测量到的分布。谱形状随EL的变化表明, 碎片电荷分布是碎片动能EL函数。 (2) 在固定轻碎片质量AL 和动能EL下的每一个每一个f(

10、AL , EL ,Z)谱是多个高斯函数的叠加，每个谱是多个高斯函数的叠加，每个高斯函数下的面积对应于碎片电荷高斯函数下的面积对应于碎片电荷Z出现的几出现的几率，宽度给出了探测器的电荷分辩能力率，宽度给出了探测器的电荷分辩能力，峰峰位置给出核电荷数位置给出核电荷数Z。拟合是否合理的判据是：拟合是否合理的判据是：提供的拟合参数合理；给出的核电荷数平均值提供的拟合参数合理；给出的核电荷数平均值与现有文献建议的少量数据在趋势上一致。对与现有文献建议的少量数据在趋势上一致。对高动能碎片质量数高动能碎片质量数AL=99amu和和AL=86amu得到得到的拟合给在下图中；探测器的电荷分辩能力，的拟合给在下图

11、中；探测器的电荷分辩能力， Z/ 40/0.8 三个AL=110amu原始幅度谱高动能轻碎片数据的两个拟合例子 A=99 amu Ek=120-123MeV A=86 amuEk= 105-108MeV 九、 Z=50质子壳效应下图给出了下图给出了 ZUCD av随轻碎片质量随轻碎片质量A*的变化。的变化。(1) 随轻碎片质量随轻碎片质量A*的变化反映了壳的变化反映了壳+对效应对低能对效应对低能裂变过程的影响。裂变过程的影响。 ZUCD=(98/252)A*是液滴效应控制是液滴效应控制下的碎片核电荷，变化速率下的碎片核电荷，变化速率=98/252=0.39。(2)在在A*=80-116amu质

12、量区质量区, av的变化速率的变化速率0.42，这个这个值大于值大于0.39的液滴值的液滴值, 故看到了向负方向增长的故看到了向负方向增长的值。值。(3)特别是当轻质量数特别是当轻质量数A* 119，而到达而到达A*=125时，由于时，由于重碎片中重碎片中Z=50质子壳的稳定性，轻碎片的电荷分布质子壳的稳定性，轻碎片的电荷分布最可几值及其分布的形状几乎不随它质量的增加而增最可几值及其分布的形状几乎不随它质量的增加而增加。因而，加。因而， 迅速由负值转变为一个大的正值。迅速由负值转变为一个大的正值。A* 119 120 121 122 123 124 125Zav 47.09 46.92 46.

13、96 47.11 47.52 47.68 47.93 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 ZUCD 46.27 46.67 47.06 47.44 47.83 48.22 48.61 1301201101009080-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0 =ZUCD Zav随碎片质量数随碎片质量数A*的变化，的变化，Zav为对碎片为对碎片A*测到的平均电荷值；测到的平均电荷值；ZUCD为均匀电荷值。为均匀电荷值。UCD98ZA*=0.39A*252A*十、讨论(1) 本测量方法本测量方法可达到与质谱仪可达到与质谱仪+ +望远镜技术望远镜技术相同的电荷分辩。与后者相比它的优点是：相同的电荷分辩。与后者相比它的优点是：它是十分经济的，它有高的探测效率，易于它是十分经济的，它有高的探测效率，易于得到电荷分布随动能的变化。由于修正了得到电荷分布随动能的变化。由于修正了碎碎片发射片发射角效应和文献角效应和文献测量数据测量数据A AL L,TKE,TKE 的的采采用用，故得到了宽碎片质量范围与宽动能范围故得到了宽碎片质量范围与宽动能范围内的较好的内的较好的电荷分布实验电荷分布实验数据数据。(2) 为了把这个方法推广到实际的核参数测量，