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Volume 37 Issue 3
Sep.  2020
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Weiping LIU, Zhihong LI, Jianjun HE, Xiaodong TANG, Gang LIAN, Bing GUO, Jun SU, Yunju LI, Baoqun CUI, Liangting SUN, Qi WU, Zhu AN, Yangping CHEN, Zhijun CHEN, Xianchao DU, Changbo FU, Lin GAN, Guozhu HE, Heger Alexander, Suqing HOU, Hanxiong HUANG, Ning HUANG, Liyang JIANG, Kubono Shigeru, Jianmin LI, Kuoang LI, Tao LI, Lugaro Maria, Xiaobing LUO, Shaobo MA, Zhiyu HAN, Xinyue LI, Tianli MA, Dongming MEI, Weike NAN, Wei NAN, Chen CHEN, Hao ZHANG, Long ZHANG, Fuqiang CAO, Yongzhong QIAN, Jiuchang QIN, Jie REN, Wanpeng TAN, Tanihata Isao, Peng WANG, Shuo WANG, Youbao WANG, Shiwei XU, Shengquan YAN, Zhi ZENG, Xiangqing YU, Qian YUE, Sheng ZENG, Huanyu ZHANG, Hui ZHANG, Litao YANG, Liyong ZHANG, Ningtao ZHANG, Qiwei ZHANG, Tao ZHANG, Xiao FANG, Xiaopeng ZHANG, Xuezhen ZHANG, Yunhua CHEN, Ningchun QI, Shiyong WU, Xuyuan GUO, Jifang ZHOU, Shengming HE, Jinhua NING, Jianfeng YUE. Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 283-290. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60
Citation: Weiping LIU, Zhihong LI, Jianjun HE, Xiaodong TANG, Gang LIAN, Bing GUO, Jun SU, Yunju LI, Baoqun CUI, Liangting SUN, Qi WU, Zhu AN, Yangping CHEN, Zhijun CHEN, Xianchao DU, Changbo FU, Lin GAN, Guozhu HE, Heger Alexander, Suqing HOU, Hanxiong HUANG, Ning HUANG, Liyang JIANG, Kubono Shigeru, Jianmin LI, Kuoang LI, Tao LI, Lugaro Maria, Xiaobing LUO, Shaobo MA, Zhiyu HAN, Xinyue LI, Tianli MA, Dongming MEI, Weike NAN, Wei NAN, Chen CHEN, Hao ZHANG, Long ZHANG, Fuqiang CAO, Yongzhong QIAN, Jiuchang QIN, Jie REN, Wanpeng TAN, Tanihata Isao, Peng WANG, Shuo WANG, Youbao WANG, Shiwei XU, Shengquan YAN, Zhi ZENG, Xiangqing YU, Qian YUE, Sheng ZENG, Huanyu ZHANG, Hui ZHANG, Litao YANG, Liyong ZHANG, Ningtao ZHANG, Qiwei ZHANG, Tao ZHANG, Xiao FANG, Xiaopeng ZHANG, Xuezhen ZHANG, Yunhua CHEN, Ningchun QI, Shiyong WU, Xuyuan GUO, Jifang ZHOU, Shengming HE, Jinhua NING, Jianfeng YUE. Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 283-290. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60

Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60
Funds:  National Natural Science Foundation of China(11490560, 11475265); Continuous Basic Scientific Research Project(WDJC-2019-13)
  • Received Date: 2020-03-28
  • Rev Recd Date: 2020-05-27
  • Available Online: 2020-09-30
  • Publish Date: 2020-09-20
  • A number of nuclear reactions such as $^{25}{\rm{Mg}}{({\rm{p}},\gamma )^{26}}{\rm{Al}}$, $^{13}{\rm{C}}{(\alpha ,{\rm{n}})^{16}}{\rm{O}}$, $^{12}{\rm{C}}{(\alpha ,\gamma )^{16}}{\rm{O}}$ and $^{19}{\rm{F}}{({\rm{p}},\alpha )^{16}}{\rm{O}}$ will be measured directly down to the Gamow window energy range in Jinping Underground Nuclear Astrophysics (JUNA) Experiment, taking the advantage of the ultra-low background in China Jinping Unerground Laboratory (CJPL). The measurements can provide updated data for understanding the evolution of stars and the origin of elements. Up to now, tests of accelerator, beam, targets, detectors, and electronics have been performed systematically on the ground. The high-purity germanium detectors efficiency calibration, 304 keV resonance strengths measurement in $^{25}{\rm{Mg}}$(p, ${\rm{\gamma}}$)26Al, $^{19}{\rm{F}}{({\rm{p}},\alpha )^{16}}{\rm{O}}$ cross section measurement, neutron detector design, production and efficiency calibrationas as well as target design and stability test are included as overground experiments. The Whole JUNA project is going smoothly in general. A series of key progresses and primary results have been reached on the ground. Underground experiments in the JUNA project will be carried out in order and reach the prospected goals in the near future. Broader international cooperation will also be promoted, supporting the solution of several major scientific problems in the evolution of cosmogony.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60
Funds:  National Natural Science Foundation of China(11490560, 11475265); Continuous Basic Scientific Research Project(WDJC-2019-13)

Abstract: A number of nuclear reactions such as $^{25}{\rm{Mg}}{({\rm{p}},\gamma )^{26}}{\rm{Al}}$, $^{13}{\rm{C}}{(\alpha ,{\rm{n}})^{16}}{\rm{O}}$, $^{12}{\rm{C}}{(\alpha ,\gamma )^{16}}{\rm{O}}$ and $^{19}{\rm{F}}{({\rm{p}},\alpha )^{16}}{\rm{O}}$ will be measured directly down to the Gamow window energy range in Jinping Underground Nuclear Astrophysics (JUNA) Experiment, taking the advantage of the ultra-low background in China Jinping Unerground Laboratory (CJPL). The measurements can provide updated data for understanding the evolution of stars and the origin of elements. Up to now, tests of accelerator, beam, targets, detectors, and electronics have been performed systematically on the ground. The high-purity germanium detectors efficiency calibration, 304 keV resonance strengths measurement in $^{25}{\rm{Mg}}$(p, ${\rm{\gamma}}$)26Al, $^{19}{\rm{F}}{({\rm{p}},\alpha )^{16}}{\rm{O}}$ cross section measurement, neutron detector design, production and efficiency calibrationas as well as target design and stability test are included as overground experiments. The Whole JUNA project is going smoothly in general. A series of key progresses and primary results have been reached on the ground. Underground experiments in the JUNA project will be carried out in order and reach the prospected goals in the near future. Broader international cooperation will also be promoted, supporting the solution of several major scientific problems in the evolution of cosmogony.

Weiping LIU, Zhihong LI, Jianjun HE, Xiaodong TANG, Gang LIAN, Bing GUO, Jun SU, Yunju LI, Baoqun CUI, Liangting SUN, Qi WU, Zhu AN, Yangping CHEN, Zhijun CHEN, Xianchao DU, Changbo FU, Lin GAN, Guozhu HE, Heger Alexander, Suqing HOU, Hanxiong HUANG, Ning HUANG, Liyang JIANG, Kubono Shigeru, Jianmin LI, Kuoang LI, Tao LI, Lugaro Maria, Xiaobing LUO, Shaobo MA, Zhiyu HAN, Xinyue LI, Tianli MA, Dongming MEI, Weike NAN, Wei NAN, Chen CHEN, Hao ZHANG, Long ZHANG, Fuqiang CAO, Yongzhong QIAN, Jiuchang QIN, Jie REN, Wanpeng TAN, Tanihata Isao, Peng WANG, Shuo WANG, Youbao WANG, Shiwei XU, Shengquan YAN, Zhi ZENG, Xiangqing YU, Qian YUE, Sheng ZENG, Huanyu ZHANG, Hui ZHANG, Litao YANG, Liyong ZHANG, Ningtao ZHANG, Qiwei ZHANG, Tao ZHANG, Xiao FANG, Xiaopeng ZHANG, Xuezhen ZHANG, Yunhua CHEN, Ningchun QI, Shiyong WU, Xuyuan GUO, Jifang ZHOU, Shengming HE, Jinhua NING, Jianfeng YUE. Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 283-290. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60
Citation: Weiping LIU, Zhihong LI, Jianjun HE, Xiaodong TANG, Gang LIAN, Bing GUO, Jun SU, Yunju LI, Baoqun CUI, Liangting SUN, Qi WU, Zhu AN, Yangping CHEN, Zhijun CHEN, Xianchao DU, Changbo FU, Lin GAN, Guozhu HE, Heger Alexander, Suqing HOU, Hanxiong HUANG, Ning HUANG, Liyang JIANG, Kubono Shigeru, Jianmin LI, Kuoang LI, Tao LI, Lugaro Maria, Xiaobing LUO, Shaobo MA, Zhiyu HAN, Xinyue LI, Tianli MA, Dongming MEI, Weike NAN, Wei NAN, Chen CHEN, Hao ZHANG, Long ZHANG, Fuqiang CAO, Yongzhong QIAN, Jiuchang QIN, Jie REN, Wanpeng TAN, Tanihata Isao, Peng WANG, Shuo WANG, Youbao WANG, Shiwei XU, Shengquan YAN, Zhi ZENG, Xiangqing YU, Qian YUE, Sheng ZENG, Huanyu ZHANG, Hui ZHANG, Litao YANG, Liyong ZHANG, Ningtao ZHANG, Qiwei ZHANG, Tao ZHANG, Xiao FANG, Xiaopeng ZHANG, Xuezhen ZHANG, Yunhua CHEN, Ningchun QI, Shiyong WU, Xuyuan GUO, Jifang ZHOU, Shengming HE, Jinhua NING, Jianfeng YUE. Progress of the Ground Experiments of Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 283-290. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC60
    • 中国锦屏深地实验室(CJPL)是隧道型深地实验室,依托四川锦屏山的水电站工程建设而成。锦屏深地核天体物理(JUNA)实验平台被2 400 m的岩层(主要为大理岩)所覆盖,其带来的超低宇宙射线本底比意大利Gran Sasso深地实验室的还要低大约2个数量级,使得其成为低本底实验的理想环境。

      我们计划在锦屏深地实验平台进行4个核反应$ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $, $ ^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $, $ ^{25} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}} $$ ^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha)^{16} {\rm{O}} $的直接测量。目前,加速器在中国原子能科学研究院已经加工调试完成,并成功验收。JUNA实验加速器为质子束和$ \alpha $束,其中$ \alpha $束流强达2 mA。本文旨在介绍JUNA项目的地面实验进展。CJPL的总体情况示于图1。JUNA项目2019年之前完成的工作见文献[1-3]。项目计划在2021年底开始加速器和探测器的深地安装,并开始实验测量。

    • $ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $反应被称为是核天体物理学中的圣杯,也被认为是核天体物理中最重要的反应之一[4-8]。它极大地影响了所有质量数大于16的元素的产生,以及从氢燃烧阶段到晚期(爆炸)阶段的恒星演化。该反应在伽莫夫窗口峰值处的典型能量为0.3 MeV,天体物理计算要求其截面的精度好于$ 10\% $[4, 9]。目前直接测量的最低能量为$ 0.9\; {\rm{MeV}} $,对应截面的误差大于$ 50\% $[10]。为得到该反应在天体物理能区的反应截面,须借助于各种较高能量直接测量数据及间接测量结果进行外推,外推数据精度不到$ 20\% $[11],远未达到$ 10\% $的精度要求,且其中由于模型带来的系统误差很难得到验证。本课题将借助CJPL国际一流的实验条件,首次实现$ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $反应在伽莫夫能区附近的直接测量,以对外推模型提供更好的限制。

      目前该课题已完成了$ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $间接测量[12-13]。利用原子能院HI-13串列加速器和Q3D磁谱仪完成了对$ ^{12} {\rm{C}}(^{11} {\rm{B}}, ^{7} {\rm{Li}})^{16} {\rm{O}} $以及$ ^{7} {\rm{Li}}(^{6} {\rm{Li}}, {\rm{d}})^{11} {\rm{B}} $的实验测量。得到$ {}^{16} {\rm{O}}$ 6.917 MeV 2+态的约化$ \alpha $宽度,给出了$ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $反应E2跃迁的天体物理S因子,如图2所示。为直接测量的实验计划提供了数据支撑。

      国际上16O基态渐进归一化系数(ANC)的现有结果存在240倍分歧,导致无法准确给出“圣杯”反应的E2跃迁截面。研究人员自主建立了破裂效应干扰小的硼同位素$ \alpha $转移反应测量方法,通过转移反应角分布的精确测量和16O束缚态势的有效约束,获得高精度的ANC数据,澄清了国际数据间240 倍的分歧。新结果使天体物理能量下“圣杯”反应E2跃迁截面比国际最新推荐值[8]增加了55%,总截面增加了16%,这将显著影响模型预言的核素丰度。如氩同位素的丰度增加约70%,进而影响我们对大质量恒星演化的理解。新结果为未来在CJPL开展该反应的直接测量提供了重要参考。该研究结果被国际物理学期刊Physical Review Letters(《物理评论快报》)接受发表[14]。可以预期,随着JUNA项目实验的开展,将向“圣杯”反应迈出新的步伐。

      12C注入靶结构进行了改进。采用500 nm $ {\rm{Au}} $层作为注入层,$ {\rm{Au}} $层外侧增加50 nm $ {\rm{Cr}} $层作为注入层的保护层,以大幅度降低$ {\rm{Au}} $层的溅射和辐照损伤,在Au层和氮化铝衬底间增加10 nm $ {\rm{Ti}} $层作为连接层,增加$ {\rm{Au}} $层与氮化铝衬底之间的结合力。AlN有优良的抗辐照本领,厚度为1 $ {\rm{mm}} $。所有膜层均采用磁控溅射技术制备,保证膜层厚度的高度均匀以及与衬底的强结合能力,目前的靶结构如图3所示。

      目前已经在JUNA加速器地面实验平台用高功率He和质子束流进行了多次靶材料的高功率耐辐照测试。对上述构型的注入靶进行了热功率为1 kW的在线高功率测试。测试结果表明,在采用水冷的条件下,上述构型可以满足高功率的实验需求,靶表面温度小于100 ℃。

    • 对于质量数大于铁的重核素,很大部分是通过慢速中子俘获(s-)过程合成的[15-16]。为了深入研究这个过程,需要对涉及中子来源的反应进行研究。$ {}^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $反应是渐近巨星支中主s-过程的中子源,由于阈下共振的存在,其反应速率存在相当大的不确定性($ 30\% $),这限制了我们对重元素核合成的理解[17]。对于直接测量,目前已经达到的最低能量为270 $ {\rm{keV}} $,并且数据有很大误差,而伽莫夫窗口在$ 140\thicksim230 $ $ {\rm{keV}} $[18]。外推方法无法给出可信的估计,对于间接测量,不同转移反应得到的反应率之间相差可达到8倍,而要想满足s-过程核合成模型的要求,其相对不确定度要好于$ 20\% $,所以该反应的精确测量被列为当前核天体物理的前沿课题之一。本课题的研究目标是首次在深地JUNA平台开展s-过程关键中子源$ {}^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $反应的反应截面直接测量,以填补伽莫夫能区的空白。

      $ ^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $地下实验在最低能量时的中子产额只有10 d–1。对$ \alpha $源轰击Mg、SiO$ {}_2 $和Be靶的中子能谱和产额分别进行了模拟,为加工刻度中子源提供了基础。课题组重点研究了氘束流引起的本底。通过中国科学院近代物理研究所的320 kV高压平台得到了40 keV氘束在无氧铜上的中子产额[19],这将为实验过程中可能出现的$ {\rm{D}}( {\rm{D}}, {\rm{n}})^{3} {\rm{He}} $的模拟估计提供数据基础。另一反面,通过$ {\rm{D}}( {\rm{d}}, {\rm{p}}) {\rm{T}} $反应确定了He2+束流中的D杂质含量,估计了该杂质对本底的影响。

      目前已制作完成3He正比管与聚乙烯慢化体的原型机,测量结果与模拟结果一致。通过在3He探测器中添加Ar气,将中子探测峰效率从50%提高到80%;通过波形甄别和中子峰探测,3He探测器$ \alpha $本底降低至15 d–1。通过快慢符合的方法,希望将$ \alpha $本底进一步降低至1 d–1。探测器已完成测试,利用四川大学串列加速器,使用51V(p, n) 反应,对该套探测器进行了效率刻度。结果显示,探测器对能量为$ 100\thicksim700 $ $ {\rm{keV}} $的中子平均探测效率为$ 43(6)\% $,与模拟结果$ 46(1)\% $相符。

      塑料闪烁体作为慢化体的中子探测器已经全部加工完成。使用伽马源60$ {\rm{Co}} $137$ {\rm{Cs}} $和中子源$ {\rm{Pu}} $-$ {\rm{C}} $252$ {\rm{Cf}} $对塑闪的能量响应、探测效率等进行了初步测试。利用上述中子源测量了3$ {\rm{He}} $-塑闪的时间符合谱。并与Geant4模拟进行了对比,初步结果如图4所示,蓝色线为Geant4模拟结果,红色十字为实验数据。图4中模拟与实验的差别主要是因为模拟过程中没有考虑到探测器的时间分辨以及宇宙射线带来的本底等因素。

      高功率13C靶研制方面,由于13C靶成本较高,目前制作了12C薄靶(25 µg/cm2),用来进行靶材料辐射损伤及其$ \alpha $束流下溅射率的实验。靶衬分别采用了Cu及Ta,并加盖了一层50 nm厚度的Cr以提高靶抗辐照性能。

    • $^{26}{\rm{Al}}$$ ^{26}{\rm{Mg}} $主要是通过$ ^{25} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}} $反应合成的,通过天文望远镜,能够观察到太空中有很多来源于$ ^{26}{\rm{Al}} $衰变的$ 1.809 $ MeV的$ {\rm{\gamma}} $射线[20]。20世纪70年代以来,国际上对于该反应进行了详细研究[21-24]。但由于该反应极低的反应截面以及宇宙射线本底,在地表上的截面测量能量只达到190 keV。意大利LUNA实验平台也仅能将测量能量推进到E$ {}_{\rm{cm}}\!=\!92\; $ $ {\rm{keV}} $[25-26]。而JUNA平台依赖于深地实验极佳的屏蔽效果,有希望将$ ^{25} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}}) ^{26} {\rm{Al}} $反应的实验数据测量拓展至58 keV,这将为解决星际$^{26} {\rm{Al}} $的疑难问题作出贡献。

      本课题的研究目标是将$ ^{25} {\rm{Mg(p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}} $反应的直接测量推进到比LUNA更低的能区,获得更精确的反应截面。

      课题组完成了4$ \pi $ BGO探测器的研制,达到了国际同类型探测器的先进水平,探测器阵列示意图如图5所示。用$^{137} {\rm{Cs}} $源,以5 ℃为间隔,在20 ℃至$ -20 $ ℃区间内,对探测器能量分辨率进行测试。将8 个探测单元的能谱进行相加得到探测阵列的总能谱,拟合得到探测阵列在$ 662\;{\rm{keV}} $处的能量分辨率为10.4%。国际同类型的探测阵列,如意大利LUNA的BGO探测阵列能量分辨率为17%[27],加拿大TRIUMF的BGO探测阵列能量分辨率为13%[28]。与其相比,我们的BGO阵列能量分辨率得到了很大提高,其主要原因是对BGO晶体进行了冷却。下一步我们将利用标准伽马源和在束($ {\rm{p}} $,$ {\rm{\gamma}} $)实验对探测阵列的$ {\rm{\gamma}} $探测效率进行实验测试,以研究探测阵列的效率性能。

      完成了实验靶的改进。在强束流实验中,反应靶的辐射损伤会造成材料和组分发生变化,会进一步影响实验测量的精度。因此,采取措施维持反应靶的稳定性是强流束实验中的关键。课题组研制出一套制靶系统,能够利用蒸镀法生产指定厚度的金属靶。为了检验镁靶对强质子束的承受能力,使用JUNA实验加速器产生的强流质子束对镁靶进行照射,并使用高纯锗探测器测量反应产生的伽马射线。

      测量结果表明,每增加10 C电荷轰击后,反应的产额会减少10%。表明天然$ {\rm{Mg}} $的蒸镀靶耐束流程度较弱,反应靶在强流实验中会因其中化学成分变化过大从而引起较大的实验误差。为了增强靶的耐辐照能力,改用溅射法制备100 $ {\rm{nm}} $ $ {\rm{Cr}} $+80 µg/ $ {\rm{cm}} ^2 $ $ {\rm{Mg}} $结构的天然$ {\rm{Mg}} $靶,在镁靶的表面覆盖100 $ {\rm{nm}} $$ {\rm{Cr}} $以提高靶的耐辐照能力。溅射镁靶耐束流测试如图6所示。在使用该靶的情况下,在轰击26.5 C后,测量的反应产额基本维持原水平,表明Cr对反应靶具有很好的保护作用。本课题计划在锦屏深地实验中采用此结构的Mg靶,预计其能在地下强流实验中承受更长时间。目前,地下实验用的高富集$ ^{25}{\rm{Mg}} $同位素靶已经制作完成。

      完成了HPGe探测器效率刻度。得到了不同位置下HPGe探测器效率,通过拟合经验公式,效率曲线与实验结果符合很好。在地下实验正式刻度中,可通过$^{56} {\rm{Co}} $源,$ ^{24} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{25} {\rm{Al}}\; E=214 $ keV共振反应和$ ^{27} {\rm{Al}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}}) ^{28} {\rm{Si}}\; E\!=\!293 $ keV共振反应等共同完成。

      利用$ {\rm{Cr}} $覆盖的天然$ {\rm{Mg}} $靶,对$ ^{24,25,26} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{25,26,27} {\rm{Al}} $的共振能级进行了实验测量,以验证实验装置和探测效率的可靠性。本次实验得到的三个反应的共振强度见表1,结果与国际同行的工作在误差范围内符合。证明了整个系统各类刻度的可靠性。

      Energy/keVReactionPresent/MeVB.Limata 2010[29]/MeVC.Angulo[30]/MeV
      214$^{24} {\rm{Mg(p}}, {\rm{\gamma}})^{25} {\rm{Al}}$11.0$\pm$0.410.6$\pm$0.610$\pm$2
      304$^{25} {\rm{Mg(p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}}$30.4$\pm$1.730.7$\pm$1.731$\pm$2
      326$^{26} {\rm{Mg(p}}, {\rm{\gamma}})^{27} {\rm{Al}}$277$\pm$12274$\pm$15590$\pm$10
    • 在核天体物理研究中,氟丰度对于恒星内部的物理条件非常的灵敏,因此目前一般被用来鉴别存在严重分歧的核合成图景[31]$ ^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha)^{16} {\rm{O}} $反应对于氟丰度有着十分重要的影响[32]。在伽莫夫窗口处,该反应的截面数据还尚属空白[33-35]。为了更好地去理解AGB星中各个元素(特别是氟)的丰度以及能量的产生等关键科学问题,迫切地需要精确测量这个反应于伽莫夫窗口处的反应截面。本课题研究目标是实现$ {}^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha)^{16} {\rm{O}} $反应在伽莫夫能区附近(质心系能量70~50 keV)的直接测量,为解决AGB星中氟元素超丰问题提供精确的实验数据[36]

      基于中国科学院近代物理研究所的320 $ {\rm{kV}} $高压平台[37],课题组对$ {}^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha{{\rm{\gamma}}})^{16} {\rm{O}} $反应,即$ {\rm{\gamma}} $射线出射道进行了多次测试,发现在质子束流强为几十µA的情况下,经过几小时的轰击后,无论薄的还是厚的CaF$ {}_2 $和LiF靶上均出现了$ {\rm{F}} $元素明显的降低,也即在流强较高的情况下,这些蒸镀靶的稳定性不理想。意味着这些传统的靶技术无法满足锦屏深地的实验需求,该实验在JUNA的流强要达到100 µA以上。目前,试制并测试了一批注入靶,改进了$ ^{19} {\rm{F}}$注入技术,优化了Cr保护层的镀膜工艺,提高了$ ^{19}{\rm{F}} $注入靶的稳定性。我们首先在铁衬底上以40 keV能量注入$ 10^{17} $$ {\rm{/cm}} {}^2 $$ {}^{19} {\rm{F}}^{1+}$离子,然后再在其表面溅射14 nm的Cr保护膜。我们在JUNA平台上对其进行了多次测试,通过测量$ ^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha_{{\rm{\gamma}}}) ^{16} {\rm{O}} $反应位于$ E_{\rm{p}}\!=\!340 $ keV共振的产额。在32 C的质子束轰击下,靶核损失$ 10\% $。正式实验流强按500 µA计算,该靶可承受90 h轰击(以靶损失50%估算),满足实验要求。

      在靶成分以及深度分析方面。利用三维原子探针(APT,Atom Probe Tomography)技术分析了首批注入靶的成分以及注入深度分布。FIB制样图如图7所示。首先利用聚焦离子束技术(FIB,Focused Ion beam)在靶子表面取一个直径100 nm,高1 000 nm的针尖状样品,然后再对该样品进行APT分析,如图8所示。

      样品尖端被施加$ 2\thicksim20 $ kV的高压,并用激光照射,其表面的原子会逐个蒸发,进入后端的质谱仪,并打到延迟线型微通道板探测器上。根据每个原子在延迟线型微通道板探测器上的位置和时间信息重可构出样品上每一种原子的三维分布。最终给出靶成分的深度分布。在首批制作的注入靶中$ ^{19} {\rm{F}}$主要富集在距离表面10 nm以内的薄层内,这与我们之前测量的结果一致。另外,由于注入过程中采用BF$ _{3} $作为离子源气体导致靶子内有B杂质存在。$ ^{11} {\rm{B}}( {\rm{p}}, 3\alpha) $反应产生的$ \alpha $本底也在之前的测试中探测到。为此改用$ {\rm{CF}} _4 $为工作气体,试制了第二批注入靶,其成分分析结果表明$ {\rm{B}} $的含量明显下降。

      完成了探测器冷却支架设计。将支架材料由紫铜改成铝合金,并在支架上直接打孔,通制冷剂,提高了制冷效果,降低了支架重量。同时解决了之前的制冷剂泄漏问题。

    • 借助CJPL超低本底优势建设我国首个深地核天体物理实验平台,在保证项目4个核反应研究课题顺利开展的同时,建立深地超低本底环境下$ {\rm{\gamma}} $射线、中子和带电粒子的探测和屏蔽系统。

      目前,该加速器产生的质子和氦离子束已经用于锦屏深地核天体物理项目的地面实验,累积开展物理实验700 h, 在束流能量刻度、实验靶选择、靶表面效应和高能点实验等方面开展了研究。JUNA加速器示意图如图9所示。新研制的14.5 GHz离子源成功调试出$ {\rm{He}}^{2+} $束流,流强达到2 mA的设计要求,顺利通过验收。

      开展了屏蔽材料自身本底的研究,利用锦屏一期的低本底测量装置对屏蔽材料的本底水平进行了测量,并在此基础上模拟计算了屏蔽材料本底对实验测量的影响。完成探测器屏蔽设计方案,并在地面开展了实验研究。

      实验总体情况如表2列。按照各子课题对束流的要求,分别对相应的质子和$ \alpha $束流进行高流强束流稳定性测试。目前已完成的测试和计划达到的束流测试目标见表中“目前进展”和“计划目标”栏目。

      反应目前进展计划目标探测器状态地面实验
      $^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}}$340 keV, 1.5 mA, 2 h450 keV, 2.0 mA, 24 hHPGe在线完成$-$
      $^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}}$$-$200 keV, 10 mA, 21 h$^{3} {\rm{He}}$中子管离线完成$-$
      $^{25} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}}$300 keV, 2.0 mA, 3 h(20 C)58 keV, 10 mA, 24 hBGO在线完成Cr天然Mg靶产额,$200\thicksim400$ keV${\rm{\gamma}}$宽度验证
      ${}^{19} {\rm{F}}( {\rm{p}}, \alpha)^{16} {\rm{O}}$300 keV, 500 ${\rm{\mu A}}$, 18 h(33 C)100 keV, 100 ${\rm{\mu A}}$, 24 h带电粒子阵列在线完成250 keV, 20 ${\rm{\mu A}}$, $^{19} {\rm{F} }(\rm{p}, \alpha)^{16} {\rm{O} }$实验
    • JUNA项目将依托CJPL深地实验室,取得核天体物理领域的原创性研究成果,为理解恒星演化和元素起源提供关键的核物理输入量。项目已顺利开展地面实验,取得部分研究成果。

      加速器产生的质子和氦离子束已经用于JUNA项目的地面实验,在束流能量刻度、实验靶选择、靶表面效应和高能点实验等方面开展了研究。顺利通过专家组技术验收。新研制的14.5 GHz离子源成功调试出$ {\rm{He}}^{2+} $束流,流强达到2 mA的设计要求,顺利通过中国科学院的验收。

      总体来说,JUNA实验项目整体进展顺利。在低能强流束流产生、高功率靶、复杂环境的本底模拟和低本底高效率探测器方面实现了技术创新,产生了一批研究成果;完成了4个反应在实际加速器和探测器情况下的地面试测量。各项目已取得部分关键进展,预计达到以下目标。

      计划首次在深地实验室开展核天体物理关键反应$ ^{12} {\rm{C}}(\alpha,{\rm{\gamma}})^{16} {\rm{O}} $的直接测量,填补0.9 MeV以下伽莫夫能区反应截面的空白,为理解大质量恒星的演化和元素起源及演化提供新的数据。目前已经成功完成注入靶结构的设计,制作了注入靶衬底并对其稳定性进行了在线高功率测试。对JUNA平台进行碳离子注入进行评估后,计划在2020年底对离子源进行改造,利用现有的2.45 GHz离子源作为$ ^{12} {\rm{C}}$注入平台,以获得高纯度$ ^{12} {\rm{C}}$注入靶。

      计划首次在深地实验室开展$ ^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $慢中子俘获$ {\rm{s}} $-过程关键中子源反应的直接测量,计划将测量首次推进到$ E_{\rm{cm}} $=0.2 $ {\rm{MeV}} $,覆盖$ 50\% $的天体物理有关能区,为天体物理研究提供可靠的反应率,消除$ ^{13} {\rm{C}}(\alpha, {\rm{n}})^{16} {\rm{O}} $反应率的不确定性对恒星模型中s-过程核合成的重要影响。目前,$ ^3 {\rm{He}}$正比管与塑料闪烁探测器组成的探测器系统已顺利加工完成,并对其探测效率进行了测试,与模拟结果相符。高功率靶仍然是我们实验中的巨大挑战。目前仍在寻找相关厂家制作$ ^{13} {\rm{C}}$的HOPG厚靶。同时希望通过测试研究传统薄靶的辐照剂量极限,为高功率靶的制作提供数据和思路。

      计划将$ ^{25} {\rm{Mg}}( {\rm{p}}, {\rm{\gamma}})^{26} {\rm{Al}} $等重要$ ( {\rm{p}},{\rm{\gamma}}) $反应的直接测量推进到较LUNA更低的能区,寻找新的共振,获得更精确的反应截面,为解决星际$ ^{26} {\rm{Al}}$的疑难问题作出贡献。项目组已经测量了$ ^{24}{\rm{Mg}} $($ {\rm{p}} $, $ {\rm{\gamma}} $)$ ^{25} {\rm{Al}}$$ ^{25} {\rm{Mg}}$(p, $ {\rm{\gamma}} $)$ ^{26}{\rm{Al}} $$ ^{26} {\rm{Mg}}$($ {\rm{p}} $, $ {\rm{\gamma}} $)$ ^{27}{\rm{Al}} $分别在214,304,326 keV时的共振强度,测量结果与现有的结果在误差范围内符合较好。

      计划在深地实验室进行$ ^{19} {\rm{F}}$($ {\rm{p}} $, $ \alpha)^{16} $$ {\rm{O}} $反应在伽莫夫能区的直接测量,为此建立大立体角带电粒子探测器阵列。本年度基本解决了靶稳定性以及注入杂质等问题,进一步优化了探测器冷却方案。技术方案已经基本确定,预计下一步可在JUNA加速器上进行$ ( {\rm{p}},\alpha{_0}) $反应道的正式测量。

      重大项目牵引了我国核天体物理更大范围的国内外合作交流。国际核天体物理大会将由中国原子能科学研究院在2021年9月举办,将促进各国的研究人员的交流合作,将产出更多的交叉学科研究成果。在不远的将来JUNA将有助于解决天体演化中的若干重大科学问题。

Reference (37)

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