N=127同中子素219U和216Ac的α衰变研究

本工作通过重离子熔合蒸发反应 40Ar+183W，产生了质子滴线附近的轻锕系核素 219U和 216Ac。实验在兰州充气反冲谱仪(SHANS)上开展，目标核产生后从薄靶中反冲出来，在飞行中与大量的本底粒子进行分离并偏转到位于焦平面的探测系统中。探测系统对注入的反冲核和随后的$ \alpha $衰变进行探测，并利用寻找$ \alpha $衰变链的方法对产物进行寻找和鉴别。在本次工作中，219U已知的$ \alpha $衰变数据得到改善，其基态衰变到子核215Th基态的$ \alpha $粒子能量被确定为$E_{\alpha}\!=\!9\ 763(15)$ keV，半衰期为$ T_{1/2} $=60(7) μs。首次发现了219U两个新的$ \alpha $衰变分支，其能量为$ E_{\alpha} $=9 246(17) keV, 8 975(17) keV，并指认它们分别是从 219U 的基态衰变到子核 215Th的低激发态 (5/2–)和(3/2–)。此外，通过对 216Ac的$ \alpha $衰变数据的分析，证实了216Ac存在同核异能态。     

利用改进的pn-QRPA模型研究等待点原子核的β衰变性质

r-过程等待点原子核的β衰变半衰期对研究宇宙中重元素起源有重要意义。质子-中子准粒子无规相位近似(pn-QRPA)是研究原子核β衰变的重要理论模型。本工作提出了一个改进的 pn-QRPA 模型,系统研究了满壳附近原子核的 β 衰变性质。与之前的工作相比,改进的模型采用了中子数和质子数依赖的新粒子-粒子和粒子-空穴相互作用形式。本工作首先计算了满壳附近一些已知原子核的 β衰变半衰期和 Gamow-Teller 强度分布,发现理论结果与实验数据符合较好,检验了新模型的可靠性。随后,理论预测了 $N=50$, $N=82$ 和 $N=126$附近未知的等待点原子核的 β衰变半衰期,如124Mo, 126Ru, 128Pd, 186Nd, 188Sm, 192Dy, 194Er, 196Yb, 198Hf等,预测结果与之前的模型相近。这些结果对未来满壳层附近的r-过程物理研究有参考价值。     

铀同位素链α衰变的研究

利用传输矩阵方法计算了铀同位素链$\alpha$衰变的穿透几率,并且与常用于计算势垒穿透几率的Wenzel Kramers Brillouin(WKB)近似方法进行了比较,发现由WKB近似方法得到的穿透几率比精确值小40%左右,而且WKB方法带来的误差与$\alpha$衰变的衰变能有很好的抛物线关系。基于结团模型,利用传输矩阵方法得到$\alpha$粒子穿透势垒的精确几率,计算了铀同位素链$\alpha$衰变的半衰期。还研究了势阱深度$V_0$、弥散宽度$a$和主量子数$G$对半衰期的影响。结果表明,考虑一组同位旋依赖的势阱深度和弥散宽度参数,结团模型能够较好地再现铀同位素链$\alpha$衰变的半衰期。     

重核的断前粒子发射与鞍点后摩擦的探测

基于考虑了粒子发射的随机Langevin模型，计算了重裂变核240Am在 鞍点后发射的中子、质子和$ \alpha $粒子多重性作为鞍点后摩擦强度($ \beta $)的函数。结果表明在高激发能($ E^* $)和高角动量($ \ell $)条件下，这些轻粒子发射对摩擦的敏感性变强。进而，比较了在(高$ E^* $，低$ \ell $)和(低$ E^* $，高$ \ell $)这两个不同初始条件下，240Am核在鞍点后蒸发的粒子随$ \beta $的演化。发现前者不但能增强核摩擦对粒子发射的影响，也显著提高了带电粒子对$ \beta $的敏感性。在实验方面，我们建议可以用中能重离子碰撞的方式产生高激发的重裂变系统，来更精确地用粒子发射(尤其是轻带电粒子)来探测鞍点后的摩擦强度。     

一些近期发现的同核异能态的壳模型解释

近期，在101In、123,125Ag和218Pa等核中，首次观测到同核异能态。本工作通过原子核壳模型解释In、Ag同位素和$N\!=\!127$同中素中的这些同核异能态及相关的同核异能态背后的物理原因。101-109In这五个奇A核In同位素中，观测到的$1/2^{-}$同核异能态的激发能非常接近。这可以通过引入中子近期，在101In、123,125Ag和218Pa等核中，首次观测到同核异能态。本工作通过原子核壳模型解释In、Ag同位素和$N\!=\!127$同中素中的这些同核异能态及相关的同核异能态背后的物理原因。101-109In这五个奇A核In同位素中，观测到的$1/2^{-}$同核异能态的激发能非常接近。这可以通过引入中子$0g_{7/2}$和$1d_{5/2}$轨道间的很强的组态混合来解释。更进一步分析表明，这些奇A核In同位素中，从$9/2^{+}$基态到$1/2^{-}$同核异能态，一个质子从$1p_{1/2}$轨道激发到$0g_{9/2}$轨道。这一质子组态变化可能引发中子$0g_{7/2}$和$1d_{5/2}$轨道的单粒子能变化。这样一个原子核内的组态依赖的壳演化被称为第二类壳演化。与In同位素类似，123,125Ag的同核异能态被发现是$1/2^{-}$态，对应着一个质子空穴在$1p_{1/2}$轨道。但之前观测到的115,117Ag的$1/2^{-}$态是基态。这意味着质子$1p_{1/2}$轨道和$0g_{9/2}$轨道在$N\!=\!72$附近发生了反转。壳模型分析表明张量力是造成这两个轨道反转的决定性原因。之前观测到的奇奇核$N\!=\!127$同中素210Bi、212At、214Fr和216Ac中，基态是$1^{-}$态，同时存在高自旋的同核异能态。然而，基于$\alpha$衰变性质和壳模型计算，推荐218Pa中的基态和新发现的同核异能态分别为$8^{-}$态和$1^{-}$态。奇奇核$N\!=\!127$同中素基态和同核异能态的演化是由质子中子相互作用从粒子粒子形式转化为空穴粒子形式以及质子组态混合所导致。总的来说，壳模型对这些双幻核100Sn、132Sn和208Pb附近核中新发现的同核异能态有较好的描述。双幻核附近核中的同核异能态，也称为壳模型同核异能态，是核结构研究中非常重要的。因为这些同核异能态常常提供了中重质量区域极端丰中子和缺中子原子核中的第一个谱学性质，并包含了丰富的物理信息，比如质子中子相互作用及其在壳演化中的作用。     

丰中子核63,65,67Mn的在束γ谱学研究

利用放射性束68Fe轰击液氢靶引起的敲出反应，研究了极端丰中子核63,65,67Mn的激发态，指认了它们的自旋宇称，建立了这三个原子核的能级纲图。纲图包含11/2–、9/2–和 7/2– 三个激发态以及$5/2_{\rm{g.s.}}^{-}$基态，它们由三条$\Delta I \!=\! 1$的$\gamma$跃迁连接。这种能级结构与$K \!=\! 5/2$时强耦合转动带的特征一致。使用改进的LNPS有效相互作用(LNPSm)的大规模壳模型计算能很好地重现观测到的能级。计算表明，65,67Mn的低位激发态都主要包含处于$4p{\text -}4h$的中子组态和$1p{\text -}1h$的质子组态。基于实验结果发现，在吸积中子星壳中，与质量数$A \!=\! 63$相关的Urca中微子冷却效果比预期的要强很多，而$A \!=\! 65, 67$的冷却效果比预期的更弱。     

Polyakov-loop拓展的夸克介子模型中的Roberge-Weiss相变研究

${\mathbb{Z}}_3$-QCD是具有严格中心对称性的类QCD理论，研究其在特殊条件下的性质有助于理解QCD退禁闭相变。本文应用三种味道的Polyakov-loop拓展的夸克介子模型作为${\mathbb{Z}}_3$-QCD的低能有效理论，研究了不同中心对称性破缺模式下的Roberge-Weiss(RW)相变。为保证RW周期性，本文采用味道依赖的虚化学势$(\mu_{\rm{u}},\mu_{\rm{d}},\mu_{\rm{s}})={\rm{i}}T(\theta-2C\pi/3,\theta,\theta+2C\pi/3)$，其中${\mathbb{Z}}_3$-QCD是具有严格中心对称性的类QCD理论，研究其在特殊条件下的性质有助于理解QCD退禁闭相变。本文应用三种味道的Polyakov-loop拓展的夸克介子模型作为${\mathbb{Z}}_3$-QCD的低能有效理论，研究了不同中心对称性破缺模式下的Roberge-Weiss(RW)相变。为保证RW周期性，本文采用味道依赖的虚化学势$(\mu_{\rm{u}},\mu_{\rm{d}},\mu_{\rm{s}})={\rm{i}}T(\theta-2C\pi/3,\theta,\theta+2C\pi/3)$，其中$0\!\leqslant\!{C}\!\leqslant1$。传统的和夸克反馈效应改进的两种不同Polyakov-loop势被分别用于相应的计算。研究表明，当$N_{\rm{f}}\!=\!3$，$C\!\ne\!1$时，RW相变出现在$\theta=\pi/3$(mod $2\pi/3$)处，其强度随$C$值的减小而加强；当$C\!=\!1$，$N_{\rm{f}}\!=\!2\!+\!1$时，RW相变位置出现反常，变为$\theta=2\pi/3$(mod $2\pi/3$)；而当$C\!=\!1$，$N_{\rm{f}}\!=\!1\!+\!2$时，RW相变点又返回$\theta\!=\!\pi/3$(mod $2\pi/3$)。上述几种情形的RW相变端点均为三相点。研究发现，夸克反馈效应使得RW相变强度减弱，退禁闭相变温度变低，但并未改变前述的定性结论。     

合成Z=119, 120超重核的理论研究

合成Z=119,120超重核是当今各核物理实验室争相追逐的目标,理论预言可靠的弹靶组合、入射能等信息有助于超重核合成的实验设计和探测。本工作基于双核模型研究影响重离子核反应生成截面大小的反应机制,计算了$^{50}{\rm{Ti}}$+$^{249}{\rm{Bk}}$、$^{50}{\rm{Ti}}$+$^{249}{\rm{Cf}}$两个弹靶组合,预测$^{50}{\rm{Ti}}$+$^{249}{\rm{Bk}}$的生成截面为0.021 1 pb。考虑双核系统熔合与存活两个过程,重点关注$^{52-59}{\rm{Cr}}$+$^{243}{\rm{Am}}$、$^{54-62}{\rm{Mn}}$+$^{243}{\rm{Am}}$、$^{56-72}{\rm{Ni}}$+$^{238}{\rm{U}}$生成截面的同位素链依赖性,研究表明熔合几率随弹核质量数呈现强烈的依赖行为,直接影响蒸发剩余截面大小。     

235, 237Np高自旋态的理论研究

锕系核的转动性质对于揭示$A \approx 250 $质量区原子核的顺排机制、对关联性质、能级结构等十分重要,研究这些核的高自旋结构一方面可以对现有的理论模型进行检验,另一方面有助于深入认识超重核。本工作采用基于推转壳模型的粒子数守恒方法研究了实验上观测到的$^{235}{\rm{Np}}$和$^{237}{\rm{Np}}$中转动带的性质,计算得到的转动惯量、角动量顺排等与实验符合。首先,通过描述转动谱的$ab$公式确定了$^{235}{\rm{Np}}$中观测到的转动带的带头自旋。随后,通过对比理论与实验上的转动惯量,确定了其组态为$\pi 5/2^-[523]$。此外,也讨论了高阶形变$\varepsilon_6^{}$对中子$j_{15/2}^{}$顺排的作用,探索了在计算中出现而在实验上未观测到中子$j_{15/2}^{}$顺排的原因,从而解释了$^{235, 237}{\rm{Np}}$的转动带中产生上弯的机制。最后,还讨论了$^{237}{\rm{Np}}$的转动带$\pi 5/2^-[523]$中出现旋称劈裂的原因,发现可能是由于这个转动带的两个旋称分支上弯以后高阶形变$\varepsilon_6^{}$不同所导致的。     

基于LNDM模型的碳离子束混合辐射场相同剂量平均LET下关键纳剂量学指标及RBE分析

纳剂量学量正在成为新的表征辐射品质的量,也是用于精确计算相对生物学效应(RBE)的基础数据。具有相同剂量平均传能线密度(LET)离子束混合辐射场导致的生物学效应也未必相同。为研究关键纳剂量学指标[电离簇尺寸N_ICS$\geqslant 1 $的条件概率密度分布的一阶矩($M_1^{{C_1}}$)、N_ICS$\geqslant 2$的条件概率密度分布的一阶矩($M_1^{{C_2}}$)、N_ICS$\geqslant 2 $的累计概率($F_2^{{C_1}}$)和N_ICS$\geqslant 3 $的累计概率($F_3^{{C_2}}$)]以及RBE在相同剂量平均LET混合辐射场中的分布,在蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)模拟的基础上,结合单能离子束关键纳剂量学指标数据集,计算得到了不同能量碳离子束在不同贯穿深度处相同剂量平均LET混合辐射场中的$M_1^{{C_1}}$、$M_1^{{C_2}}$、$F_2^{{C_1}}$、$F_3^{{C_2}}$及RBE值。计算结果显示:在相同剂量平均LET混合辐射场中,不同能量碳离子束的$F_3^{{C_2}}$没有发生显著变化,而$M_1^{{C_1}}$、$M_1^{{C_2}}$和$F_2^{{C_1}}$变化显著,且随能量的增大而减小,并且随剂量平均LET的增加,$M_1^{{C_1}}$、$M_1^{{C_2}}$和$F_2^{{C_1}}$变化差异逐渐变大。正是由于$M_1^{{C_1}}$、$M_1^{{C_2}}$、$F_2^{{C_1}}$和$F_3^{{C_2}}$的不同,在相同剂量平均LET混合辐射场中基于纳剂量学模型计算得到的RBE值也显著不同。这些结果表明,剂量平均LET并不能很好地用于描述离子束混合辐射场的品质,而关键纳剂量学指标则有望成为表征离子束混合辐射场品质的量。     

等效质量模型中的重子质量谱

在等效质量模型框架下,考虑线性禁闭和一阶微扰相互作用的贡献并通过拟合$ \mathrm{p} $、$ \mathrm{n}$、$\Lambda$和$ \Delta $的质量来得到模型参数。发现,等效质量模型能够较好地给出符合实验的重子质量谱。而禁闭强度$D$、强耦合常数$\alpha_{\rm{s}}$以及夸克质量因子$f$与微扰强度$C$之间都存在关联,并能够很好地用解析公式逼近。除此之外,单胶子交换相互作用的色磁部分在重子质量谱中起着重要作用,从而使自旋$J=1/2$和3/2的重子之间的质量差最高达到300 MeV。为了更好地描述超子质量,对于包含奇异夸克的一对夸克间的相互作用我们进一步采用不同的强耦合常数,其具体的模型参数通过拟合$ \Sigma $和$ \Xi $的质量得到。基于本工作得到的等效质量模型参数组,能够更好地描述$ \mathrm{ud}$夸克物质团、奇异子以及致密星。     

利用反应时间分析多核子转移反应中丰中子核的产生机制

在改进的量子分子动力学(ImQMD)模型框架下,研究了$^{136}{\rm{Xe}}$+$^{198}{\rm{Pt}}$体系的多核子转移反应过程。给出了不同弹靶接触时间下二分裂碎片的总动能-质量分布,发现准弹性碰撞、深度非弹性碰撞和准裂变反应事件可以采用弹靶接触时间进行粗略的划分。分析了不同弹靶接触时间下类靶碎片的双微分截面分布以及Ba同位素的产生截面分布,结果表明丰中子核素产生于深度非弹性碰撞。另外研究发现,对于$^{136}{\rm{Xe}}$+$^{198}{\rm{Pt}}$体系,出射角在0°附近的类靶碎片产生于中心碰撞。     

利用GEANT4研究轻带电粒子诱发反应出射中子双微分产额

轻带电粒子诱发反应产生次级中子的研究对于加速器屏蔽设计和优化具有重要意义。利用Geant4程序结合INCL、BIC、BERT物理模型分别计算了33 MeV的d核、65 MeV的3He核和4He核轰击厚的碳、铜和铅靶在轻带电粒子诱发反应产生次级中子的研究对于加速器屏蔽设计和优化具有重要意义。利用Geant4程序结合INCL、BIC、BERT物理模型分别计算了33 MeV的d核、65 MeV的3He核和4He核轰击厚的碳、铜和铅靶在$0^{\circ}$，$15^{\circ}$，$45^{\circ}$，$75^{\circ}$和$135^{\circ}$等方向出射中子的双微分产额，并与实验数据进行了比较。研究表明，对于33 MeV的d核诱发的核反应，INCL模型的计算结果基本上再现了碳靶和铜靶的实验数据，但高估了铅靶直接过程产生的中子。BIC模型和BERT模型的计算结果没有重现弹核削裂过程对应的宽峰。对于65 MeV的3He核诱发的核反应，三个模型的计算结果均未能重现前向角弹核削裂过程产生的中子，但在$15^{\circ}$，$45^{\circ}$，$75^{\circ}$和$135^{\circ}$上三个模型的计算结果与实验数据符合较好。对于65 MeV的4He核诱发的核反应，INCL模型的计算结果与碳靶和铜靶的实验数据符合较好，但低估了铅靶的中子产额。BIC模型和BERT模型的计算结果低估了碳靶的实验数据，且在大角度上略微高估了铅靶的实验数据。     

248Cf 中Kπ=2–带的研究

本工作给出了对248Cf中$2^{-}$带的理论分析。这条带在实验中被观测到自旋$25{\hbar}$和激发能高于4 MeV，因此该原子核在相应组态下裂变位垒至少持续到此角动量和激发能。就顺排性质和衰变特征对实验$2^{-}$带背后的物理机制进行了探讨。二准中子，二准质子以及非轴对称八极形变(基于反射不对称壳模型)内禀结构的不同假设通过电磁跃迁性质进行评估。结果显示，实验$2^{-}$带的谱学特性在粒子-声子混合图像下能得到较好的解释:准粒子阻碍了向基带的跃迁，非轴对称八极声子增大了旋称伙伴带的能级劈裂, 减弱了带间相互作用。该核低激发态展现的超导和正常相共存被尝试性地归因于中子152亚壳附近对相互作用的减弱。     

双重味重子的理想混合角

本工作研究了双重味重子的理想混合角。理想混合角是将$^{2S+1}(l_\lambda)_J$态转换为具有确定重夸克对称性的态时所对应的旋转角度。在标准的$\rho-\lambda$图像下,求得了$L_\rho=0$情形时重夸克对称性的态$\left(J, j_\ell\right)$和$\left(J, s_{\rm q}+j_\rho\right)= $$ \left(J, \{^4l_\lambda/^2l_\lambda\}\right)$态之间的理想混合角,其中${\boldsymbol{j}}_\ell={\boldsymbol{l}}_\lambda+{\boldsymbol{s}}_{\rm q}$, ${\boldsymbol{s}}_\rho={\boldsymbol{s}}_{\rm Q1}+{\boldsymbol{s}}_{\rm Q2}$和${\boldsymbol{j}}_\rho={\boldsymbol{s}}_\rho+{\boldsymbol{L}}_\rho$。本工作指出当研究双重味重子的衰变性质时,需要采用$(1S1p)1/2^-$和$(1S1p)3/2^-$等理想混合态。     

氟盐冷却球床高温堆次锕系核素的嬗变研究

针对氟盐冷却球床高温堆(FHR)深燃耗的特征,研究了FHR嬗变次锕系核素(MA)的可行性。研究结果表明:(1) 优化后燃料球的参数为U-235富集度19.75%,UO₂与MAO₂质量比为18:1;(2) 燃料球在堆芯内的流速为4.59 cm/d、最深燃耗150 GWd/tHM;(3) 次锕系核素的总嬗变率为26.16%。其中,Np-237、Am-241、Am-243通过中子的俘获吸收到重核素、$\beta $衰变到裂变核素两条途径可有效嬗变,Cm-243、Cm-244、Cm-245由于轻核素的俘获吸收以及$\beta $衰变的积累效应,不能有效嬗变。     

不同理论模型预言合成超重核Z=119~122研究进展

通过双核系统模型与其他模型对$Z\leqslant$118元素的计算结果与实验数据的比较，证明了不同模型预测超重核的产生截面是可靠的。对比分析了不同模型对Z=119和Z=120超重核的预言结果，我们认为合成超重核Z=119和Z=120的最佳弹靶组合分别为反应$^{48}{\rm{Ca}} + ^{{\rm{252}}}{\rm{Es}}$和$^{40}{\rm{Ca}} + ^{{\rm{257}}}{\rm{Fm}}$，并且Z=119新核素很有可能会先于Z=120新核素在实验上被合成。由于实验上Z>100锕系靶的限制，人们正尝试寻找比48Ca更重的弹核来合成超重核Z=121和Z=122，超重核Z=121可以通过反应V+Cf来合成，而超重核Z=122的产生截面已经非常小，要求将来在实验上提高探测及鉴别技术。希望本文的讨论可以在将来为实验及理论核物理工作者们提供一些参考。     

?4模型真空态间的转换算符

本工作在正则量子化的基础上，对$\phi^4$模型的哈密顿量采取正规序来正规化真空零点能，然后微扰计算了至次领头阶的真空态修正。同时首次得到可以在$\phi^4$模型的两个真空态之间转换的算符，我们相信这个算符也是适当极限条件下产生$\phi^4$扭结(kink)的算符的形式。最后简要说明了真空能的应用。     

sd壳层极丰质子核的β延迟衰变谱学

远离β稳定线原子核的结构是当前核物理领域的一个前沿热点。β衰变谱学是研究核结构的重要方法，尤其适用于低产额的滴线核。本文回顾了近年来在RIBLL1装置上开展的sd壳区极丰质子核β延迟衰变谱学的实验研究。该工作获得了15个原子核精确的半衰期、衰变子核的质量、β延迟的质子和双质子发射以及$\gamma $跃迁的能谱、分支比和比较半衰期等数据，并重建了衰变纲图，大大丰富了此区域内质子滴线附近原子核的衰变谱学信息。还介绍了探测器阵列和实验方法，概括了所研究核的衰变性质和半衰期等。特别地，对几个典型核，20Mg和22Si以及26P和27S的衰变性质进行了阐述。此外，对相关话题，如三体力、镜像核衰变不对称性、与银河系中26Al超丰问题相关的热核反应率等问题进行了探讨。     

第一性原理无核芯壳模型计算原子核谱因子

原子核谱因子表征原子核单粒子轨道的性质以及占据数等信息,是联系核结构、核反应与核天体物理的重要物理量。 对于原子核谱因子的计算强烈依赖于理论模型得到的原子核多体波函数,在实际计算中通常选用普通壳模型。随着计算机性能的提高以及核多体方法的发展,第一性原理方法被应用于研究原子核性质,并取得巨大成功。 本工作基于现实两体相互作用,利用第一性原理无核芯壳模型计算较轻原子核谱因子。首先,计算了$A =6$和$7$原子核的低激发态能量,考察第一性原理无核芯壳模型对能量计算的收敛性,并比较普通壳模型与第一性原理无核芯壳模型对于$A =6$和$7$能谱的描述。结果表明,无核芯壳模型计算结果与实验符合较好,可以很好地描述结合能和激发谱性质。 然后,利用无核芯壳模型系统计算了$^{7}{\rm{Li}}$与 $^7{\rm{Be}}$镜像核叠积函数与谱因子,并分析谱因子计算的收敛性。结果显示,谱因子随着模型空间的增大收敛较慢,对于$^{7}{\rm{Li}} $,无核芯壳模型计算的谱因子同最新实验值符合得很好。最后,采用无核芯壳模型系统计算$A =6,\, 7$和$8$原子核低激发谱能量与谱因子,为核反应与核天体研究提供必要的输入量。