13C（α,n）16O深地实验的相关技术研究

论文摘要

从铁到铀的重元素合成过程是本世纪待解决的11个“将夸克与宇宙联系起来”的重大物理问题之一,而从铁到铋中的一半核素由慢中子俘获过程产生（s-过程）,作为s-过程中的关键中子源反应——13C（α,n）160,它在典型s-过程温度下（T=0.1 GK）的反应率十分重要。当前由于此反应在伽莫夫能区（Ec.m.=140-230keV）内的截面极低,因此地面实验难以对其进行直接测量,仅能在高能量范围内开展。为了得到13C（α,n）16O反应在天体物理能区中的反应截面,目前必须使用高能数据和基于R-矩阵的理论外推,因此得到的结果差异很大。为了得到更精确的13C（α,n）160的反应率,锦屏地下实验室核天体物理（JUNA）团队计划利用高流强的加速器和中国锦屏地下实验室（CJPL）对此反应进行直接测量,并将测量能区推进到伽莫夫能区内,本文的主要工作即围绕这一目的展开,主要进行了如下几个方面的工作:1.探测器的研制。论文中研发了一台由24根3He正比管和聚乙烯构成的中子探测器用于JUNA项目的13C（α,n）16O高能区测量实验,并在四川大学3 MeV串列加速器上对其进行了效率刻度。随着Ec.m.的下降,反应截面急剧下降,难以测量。本文另外设计并制造了一台以塑闪+3He管为主的快中子探测器用来进行对此反应低能区的直接测量实验,这种探测器可以通过塑闪信号与3He信号符合的办法降低本底,提高整个探测器的灵敏度。2.环境中子本底的研究。为研究低计数率的中子探测技术,论文使用单根3He正比管对CJPL-I期实验大厅内的热中子本底进行了测量,发展了一套以“上升时间-能量”+“感兴趣目标区域（ROI）”的方法,成功地减小了 3He管内的α本底对低计数率中子探测的影响,得到了可靠的CJPL-I实验大厅内的热中子通量。方法可被使用到利用3He管测量低计数率中子的实验中,能够大大减小由3He管壁内的α产生的本底对实验的影响。3.束流引起的中子本底研究。为了研究束流产生的中子本底,本文提出了一种相对测量方法,利用近代物理研究所320 kV高压平台首次测量了 He2+束流内的氘杂质含量,并分析了由此产生的中子对地下实验的影响。此方法能够可靠地测量4He束流中的氘杂质含量,对研究由束流中的氘杂质产生的中子本底具有重要意义。4.束流鉴别。论文利用7Li（p,α）α反应鉴别了 JUNA项目400 kV高压平台2.45 GHz离子源所产生的A/q=2的束流,确定了其主要成分为H2+而非He2+,否定了此离子源可以产生He2+束流。根据此结果,JUNA团队另外制造了一台离子源用来产生He2+束流。总之,论文中所完成的工作将对今后的JUNA实验的顺利开展有着积极的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 原子核天体物理简介
•   1.2 恒星的形成与演化
•   1.3 太阳系中的元素丰度
• 13C（α,n）¹⁶O'>  1.4 慢中子俘获过程中的关键中子源反应¹³C（α,n）¹⁶O
•     1.4.1 小质量恒星AGB前的演化
•     1.4.2 小质量恒星AGB时的演化
•   1.5 研究现状与本文研究内容
• 第2章 基本概念
•   2.1 库伦势垒和伽莫夫因子
•   2.2 反应截面
•   2.3 S因子与核反应率
•   2.4 Gamow能量和Gamow峰
•   2.5 直接测量
• 第3章 快中子探测器的设计与刻度
•   3.1 快中子探测器的设计指标
•   3.2 两种快中子探测器的设计
•     3.2.1 基于聚乙烯慢化的中子探测器
•     3.2.2 基于塑料闪烁体慢化的中子探测器
•   3.3 中子探测器（聚乙烯慢化体）的效率刻度
•     3.3.1 四川大学3 MeV加速器简介
•     3.3.2 实验原理
•     3.3.3 实验设备
•     3.3.4 实验流程
•     3.3.5 数据处理与结果
•     3.3.6 实验总结与后续计划
•   3.4 本章小结
• 第4章 中子本底的测量与估计
• 3He正比管的工作原理及低本底中子测量方法'>  4.1³He正比管的工作原理及低本底中子测量方法
• 3He正比管简介'>    4.1.1³He正比管简介
•     4.1.2 信号波形的形成原理
•     4.1.3 上升时间-能量分析方法介绍
•     4.1.4 信号波形的处理以及粒子的鉴别
• 3He正比管的灵敏度'>    4.1.5³He正比管的灵敏度
•     4.1.6 中子通量的计算方法
•   4.2 锦屏深地实验室内的热中子本底测量
•     4.2.1 锦屏深地实验室介绍
•     4.2.2 实验室内的中子本底来源
•     4.2.3 锦屏一期的热中子测量
•     4.2.4 锦屏二期C2厅内的热中子本底测量
•     4.2.5 结果讨论与总结
•   4.3 加速器束流本底研究
•     4.3.1 束流中的中子本底来源分析
•     4.3.2 实验原理、步骤和结果
•     4.3.3 结果讨论
•   4.4 本章小结
• 第5章 JUNA项目400 kV高压平台上的A/q=2束流种类鉴别
•   5.1 背景介绍
•   5.2 实验原理、装置及流程
•   5.3 实验步骤与结果
•   5.4 实验总结
• 第6章 总结
•   6.1 论文工作总结
•   6.2 下一步工作
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈涵

导师: 唐晓东

关键词: 核天体物理,地下实验室,低计数率热中子探测,上升时间能量方法,氘杂质分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,天文学,核科学技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

分类号: O571.5;P159

DOI: 10.27560/d.cnki.gkjwc.2019.000006

总页数: 117

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