陳銀吉 張立勇,2

1（北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 教育部離子束技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100875）

2（北京市科學(xué)與技術(shù)研究院 輻射技術(shù)研究所 北京 100875）

現(xiàn)有的理論模型認(rèn)為宇宙起源于約138億年前的一次劇烈大爆炸。在宇宙大爆炸之初，宇宙中只存在1H和4He等原初較輕的核素，在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的天體演化后逐漸形成了現(xiàn)在太陽(yáng)系中豐富多樣的元素組成（包括鈾和釷等的重元素）。核過(guò)程在大爆炸后宇宙的演化過(guò)程中起著極為重要的作用：核反應(yīng)是合成宇宙中除氫以外所有化學(xué)元素的唯一機(jī)制，也是恒星抗衡引力收縮、產(chǎn)生新星、X射線暴以及超新星等爆發(fā)性天體現(xiàn)象的能量來(lái)源。因此，探索宇宙的奧秘就必然要借助核物理的知識(shí)和規(guī)律。在這個(gè)過(guò)程中，研究微觀世界的核物理與研究宇觀世界的天體物理自然融合，形成了一門(mén)前沿交叉學(xué)科——核天體物理。核天體物理的主要研究目標(biāo)是應(yīng)用核物理的知識(shí)和規(guī)律來(lái)闡釋：1）宇宙中元素的起源及演化；2）恒星能量的產(chǎn)生與核合成過(guò)程；3）產(chǎn)生各種天體物理現(xiàn)象的機(jī)制等問(wèn)題。它扮演的主要角色是提供天體物理模型所需要的關(guān)鍵核物理輸入量。在天體核合成模型中，核反應(yīng)截面（或者天體物理S因子）是最關(guān)鍵的核物理輸入量之一［1］。在恒星的早期演化過(guò)程中，其內(nèi)部發(fā)生的主要核過(guò)程是平穩(wěn)的靜態(tài)核燃燒（如氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒等），所在的天體環(huán)境大都是相對(duì)低溫、低密度的，因此天體物理感興趣的伽莫夫能區(qū)約為幾十到幾百keV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于庫(kù)侖位壘（大約MeV量級(jí)），故而核反應(yīng)截面極小。隨著能量降低，這些核反應(yīng)的截面幾乎呈指數(shù)趨勢(shì)下降，在伽莫夫峰附近甚至只有皮巴（pb）或飛巴（fb）。在地面實(shí)驗(yàn)室條件下，宇宙射線引起的本底太大（信噪比太差），因此無(wú)法對(duì)這些反應(yīng)的截面進(jìn)行精確測(cè)量。利用在高能區(qū)測(cè)量的截面數(shù)據(jù)外推出低能區(qū)的反應(yīng)截面是一種替代方法，然而這種外推常常會(huì)造成很大的誤差，很多時(shí)候并不可靠。在這種情況下，深地實(shí)驗(yàn)室成為了必然選擇。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（China Jinping Underground Laboratory，CJPL）［2-3］是目前世界上正在運(yùn)行的最深的核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)室，它的巖石深度達(dá)2 400 m，等效水深達(dá)6 000 m。與地球表面相比，它的天然本底中μ子和中子通量分別減少了6和4個(gè)數(shù)量級(jí)［4］。在如此獨(dú)特的超低本底條件下，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)（Jinping Underground laboratory for Nuclear Astrophysics，JUNA）項(xiàng)目［5-7］于2015年啟動(dòng)，其中一個(gè)子課題［8］就是通過(guò)直接測(cè)量伽莫夫能區(qū)下的19F（p，αγ）16O反應(yīng)來(lái)探究AGB星（Asymptotic Giant Branch star）中的氟超豐問(wèn)題。

氟是天體物理中最重要的元素之一。作為唯一穩(wěn)定的氟同位素，19F的豐度對(duì)恒星內(nèi)部的物理?xiàng)l件非常敏感。因此，人們常用氟作為探針來(lái)研究恒星核合成的圖像。人們通過(guò)天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：眾多紅巨星的氟元素豐度比太陽(yáng)系的都要大，S類紅巨星氟豐度比太陽(yáng)系大2~10倍，N類紅巨星氟豐度更大，超過(guò)了30倍，WZ Cas類甚至接近100倍［8-9］。而作為銀河系中氟元素豐度最主要的貢獻(xiàn)者——AGB星，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)恒星模型卻難以解釋這一現(xiàn)象，這就是天體物理中的氟超豐問(wèn)題［10］。要解決這一難題，除了對(duì)現(xiàn)有的恒星理論模型加以改進(jìn)之外，還需要從核物理的角度對(duì)所有與氟的產(chǎn)生及破壞相關(guān)的核反應(yīng)截面進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

AGB星中的深度混合現(xiàn)象能夠改變恒星外層的同位素構(gòu)成［10］。在這種天體環(huán)境下，19F（p，α）16O反應(yīng)代表了氟的主要破壞反應(yīng)道，已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AGB星中的氟豐度對(duì)19F（p，α）16O的反應(yīng)率十分敏感，當(dāng)該反應(yīng)的反應(yīng)率變化約兩倍時(shí)，19F的表面豐度變化高達(dá)50%［11］。另外，在貧氫的后AGB星（post-AGB star）演化階段研究表明，氫元素混合在扭轉(zhuǎn)過(guò)度氦燃燒以及合理解釋觀測(cè)豐度方面扮演著重要角色。在這個(gè)核合成過(guò)程中，19F（p，α）16O是同時(shí)去除氫和氟元素的重要反應(yīng)。除此之外，該反應(yīng)也在恒星熱碳氮氧循環(huán)（Hot CNO Cycle，HCNO）過(guò)程中扮演著非常重要的角色：19F既可通過(guò)19F（p，γ）20Ne反應(yīng)進(jìn)入NeNa循環(huán)，亦可通過(guò)19F（p，α）16O反應(yīng)重新進(jìn)入HCNO循環(huán)。因此，19F（p，α）16O與19F（p，γ）20Ne兩個(gè)反應(yīng)間的競(jìng)爭(zhēng)將決定核素合成、演化的進(jìn)程，而這種競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)取決于兩個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)截面大小以及恒星內(nèi)部的物理?xiàng)l件（溫度和密度等）。同時(shí)，（p，γ）/（p，α）比率可以提供一個(gè)非常有用的工具來(lái)診斷宇宙中第一顆恒星是如何演化和死亡的，并且對(duì)恒星建模具有深遠(yuǎn)的影響。因此，準(zhǔn)確測(cè)定19F（p，α）16O與19F（p，γ）20Ne兩個(gè)反應(yīng)在0.1 GK左右的反應(yīng)率和反應(yīng)截面，對(duì)于解釋氟元素豐度、確定Pop III恒星的鈣來(lái)源以及驗(yàn)證恒星演化模型有著極為重要的意義［12］。

19F（p，α）16O反應(yīng)有三個(gè)反應(yīng)道，即（p，α0）、（p，απ）和（p，αγ），如圖1所示［13］；其中二階躍遷可以忽略［14］。（p，απ）反應(yīng)道在0.05 GK的低溫下對(duì)反應(yīng)率的貢獻(xiàn)少于10%［15-16］，因此，該反應(yīng)道的貢獻(xiàn)基本上可以忽略不計(jì)；溫度高于0.2 GK時(shí)，（p，αγ）反應(yīng)道占主導(dǎo)地位，而溫度在低于0.15 GK時(shí)，（p，α0）反應(yīng)道則占據(jù)主導(dǎo)地位［13，15］。然而，最近的研究表明，在溫度低于0.05 GK時(shí)，由于Ec.m.=11 keV和323 keV共振之間的干涉效應(yīng)，（p，αγ）反應(yīng)率可能顯著提高，從而在總反應(yīng)率中占據(jù)主導(dǎo)地位［17-18］。這些新的理論推測(cè)都需要進(jìn)一步精確測(cè)量來(lái)驗(yàn)證。目前，人們已經(jīng)在地面實(shí)驗(yàn)室對(duì)（p，αγ）和（p，α0）反應(yīng)道進(jìn)行了測(cè)量，然而受宇宙射線的本底影響，在低能區(qū)（比如70 keV），外推反應(yīng)截面的不確定度仍然高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)［13，19-20］。因此，在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，我們針對(duì)19F（p，αγ）16O反應(yīng)道進(jìn)行了精確的直接測(cè)量［21-22］。

圖1 19F(p, α)16O反應(yīng)的能級(jí)綱圖[13]Fig.1 Level scheme of the 19F(p, α)16O reaction[13]

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)在JUNA的400 kV強(qiáng)流加速器上完成，圖2是JUNA實(shí)驗(yàn)室的藝術(shù)圖以及實(shí)驗(yàn)終端的具體設(shè)置情況。一根內(nèi)置銅管延伸至靶表面并被冷卻至液氮溫度（-196 °C），用來(lái)吸附終端及束流中的碳離子，以減少靶表面的碳沉積。銅管和靶上的束流電荷均被收集，共同構(gòu)成一個(gè)法拉第筒。使用的靶是特殊制作的表面鍍鉻膜的氟注入靶，利用500 μA質(zhì)子束流轟擊2 d，約為109 C，靶損失僅為5%左右，可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求［23］。在最終的錦屏實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量中，我們用更高流強(qiáng)，2 mA質(zhì)子束轟擊2 d，在270 C的條件下靶的損失大約僅為7%。我們研制的氟注入靶是目前國(guó)際上最耐強(qiáng)質(zhì)子輻照的薄靶，為未來(lái)開(kāi)展氟相關(guān)實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 (a) JUNA 實(shí)驗(yàn)室藝術(shù)圖，(b) 實(shí)驗(yàn)終端設(shè)置的三維圖像[22]Fig.2 (a) Artistic representation of the JUNA laboratory, (b) 3D image of the experimental setup[22]

探測(cè)γ射線使用的是專門(mén)為JUNA實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研制的4π BGO探測(cè)器陣列，該探測(cè)器陣列在之前的文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹［21-22，24］，至此不再贅述。該BGO陣列對(duì)于6 130 keV γ射線的絕對(duì)探測(cè)效率可達(dá)58%，能量分辨可達(dá)11%。為了抑制巖石和中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的天然本底，該BGO陣列使用了厚度分別為5 mm、100 mm、1 mm的銅、鉛和鎘屏蔽（圖2）。除此之外，向陣列內(nèi)部持續(xù)注入氮?dú)?，保證終端內(nèi)部空間不存在氡系放射性，同時(shí)也可以避免水蒸氣因溫差在BGO晶體上凝聚。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在19F（p，αγ）16O的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，反應(yīng)截面最低測(cè)量到質(zhì)子能量Ep=88 keV （即質(zhì)心系能量Ec.m.≈72.4 keV）。因?yàn)樵摲磻?yīng)道在此低能點(diǎn)截面極小，所以本實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的6 130 keV γ射線峰計(jì)數(shù)很少。在這種情況下，氘（2H）所引入的γ射線本底會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)產(chǎn)額的計(jì)算，見(jiàn)圖3。我們推測(cè)，2H污染可能是冷卻銅管上因溫差結(jié)冰且被束流輻照所致［22］。由于2H引入的本底對(duì)低能點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果影響很大且束流時(shí)間有限，因此在約1 mA的束流強(qiáng)度下對(duì)該能量點(diǎn)持續(xù)測(cè)量約2 d，獲得了30±26的總凈計(jì)數(shù)（不確定度約為80%）。因此，Ec.m.≈72.4 keV可以看作當(dāng)前JUNA實(shí)驗(yàn)終端條件下可以測(cè)量到的“能量下限”。對(duì)于未來(lái)更精確測(cè)量，必須想辦法減少2H對(duì)測(cè)量的影響。此外，使用純Fe靶（覆蓋有50 nm厚的Cr層）對(duì)束流本底做了精確測(cè)量（圖3），從而可以進(jìn)行本底扣除。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)Ec.m.=323 keV共振處6 130 keV γ射線的產(chǎn)額，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)19F靶損失情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［22］。

圖3 在錦屏地下利用4π BGO陣列測(cè)量到的Ec.m.=72.4 keV時(shí)的γ射線能譜[21]Fig.3 γ-ray spectrum of the 19F(p, αγ)16O reaction recorded at JUNA with a 4π BGO array at Ec.m.=72.4 keV[21]

通過(guò)復(fù)雜的R-矩陣分析得到了JUNA測(cè)量的19F（p，αγ）16O天體物理S因子（圖4）?？梢钥闯?，我們的測(cè)量結(jié)果覆蓋了整個(gè)天體物理感興趣的伽莫夫窗口。根據(jù)圖4中通過(guò)R-矩陣分析得到的三條S因子曲線，我們計(jì)算出了三個(gè)反應(yīng)率。其中，三個(gè)反應(yīng)率中的最大值和最小值分別作為上下限，最大值和最小值的平均值作為推薦使用的中間值。通過(guò)這種方式，我們?cè)?.005~1 GK的溫度范圍內(nèi)得到了當(dāng)前的平均反應(yīng)率和相應(yīng)的不確定度。圖5顯示了我們JUNA實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)率和之前反應(yīng)率之間的對(duì)比，可以清楚地看到，本次實(shí)驗(yàn)確定了迄今為止19F（p，αγ）16O反應(yīng)最精確的反應(yīng)率。目前，在溫度低至0.05 GK時(shí)，JUNA的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然能夠?yàn)?9F（p，αγ）16O反應(yīng)率提供極大的約束，為解釋AGB星氟超豐問(wèn)題提供了可靠的核物理輸入量。

圖4 JUNA實(shí)驗(yàn)測(cè)量19F(p, αγ)16O反應(yīng)的天體物理S因子其中包括了19F(p, α0)16O反應(yīng)道的數(shù)據(jù)和理論預(yù)言曲線[22]Fig.4 Astrophysical S factors of the 19F(p, αγ)16O reaction measured at JUNA. The existing experimental data and predicted curve for the 19F(p, α0)16O channel are also shown for comparison[22]

圖5 JUNA反應(yīng)率與以前工作結(jié)果[17-19]的比較[21]Fig.5 Ratio of present (labeled as JUNA) relative to Spyrou et al.'s rate (labeled as SP00[19]). The corresponding ratios for deBoer et al.'s rate[17] and Zhang et al.'s rate[18] are also shown for comparison[21]

對(duì)于19F（p，α0）16O反應(yīng)道，圖4顯示了Lombardo等［20］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和R-矩陣計(jì)算結(jié)果，以及NACRE簡(jiǎn)單外推的結(jié)果［25］。由圖4可知，在50~200 keV的能量區(qū)間，（p，α0）反應(yīng)道的貢獻(xiàn)要明顯高于（p，αγ）的，這意味著在相關(guān)溫度范圍內(nèi)，（p，α0）反應(yīng)道的反應(yīng)率要明顯高于（p，αγ）反應(yīng)率。因此，目前JUNA的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.03~0.12 GK的溫度范圍內(nèi)，（p，α0）反應(yīng)道主導(dǎo)著總的（p，α）反應(yīng)率。

3 結(jié)語(yǔ)

我們利用錦屏深地實(shí)驗(yàn)室的極低環(huán)境本底和JUNA加速器的高強(qiáng)度束流以及特殊研制的氟注入靶將19F（p，αγ）16O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果推進(jìn)到國(guó)際最低能區(qū)Ec.m.≈72.4~344 keV。通過(guò)R-矩陣分析擬合得到了天體物理S因子。在天體物理感興趣的溫度范圍（0.05~1 GK）內(nèi)，基于JUNA實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了19F（p，αγ）16O的反應(yīng)率，對(duì)完善已有的天體物理模型具有重要意義。此外，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了在0.03~0.12 GK的溫度范圍內(nèi)，（p，α0）反應(yīng)道將主導(dǎo)總的（p，α）反應(yīng)率。但是，由于在約180 keV以下能區(qū)，目前尚無(wú)（p，α0）反應(yīng)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，我們計(jì)劃在70~240 keV能區(qū)對(duì)（p，α0）反應(yīng)道進(jìn)行直接測(cè)量，以最終確定AGB能區(qū)感興趣的19F（p，α）16O反應(yīng)的總反應(yīng)率，從而為理解AGB星的氟超豐問(wèn)題等提供可靠的核物理輸入量。同時(shí)，這對(duì)驗(yàn)證先前的理論預(yù)言、約束核物理模型具有重要意義。

致謝感謝錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)（JUNA）團(tuán)隊(duì)。

作者貢獻(xiàn)聲明陳銀吉負(fù)責(zé)共同完成實(shí)驗(yàn)、部分?jǐn)?shù)據(jù)分析、撰寫(xiě)文章；張立勇負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員完成實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱和指導(dǎo)。