CSR外靶终端实验装置简介

孙志宇

Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou 730000

HIRFL-CSR HIRFL-CSR ComplexComplex

Building 2#

Bu

ildin

g 6

#

CSRm

CSRe

SFC

SSCSFC: up to 10 AMeV

SSC: up to 100 AMeV

CSRm: 1.1 AGeV(12C6+), 2.8 GeV(p)

CSRe: 0.76 AGeV (12C6+)

NorthSFC – Sector Focusing Cyclotron

• 上世纪 50 年代末 60 年代初由前苏联引进，用于加速 He 以下的离子。• 上世纪 70 年代改造为重离子加速器。• K ＝ 69 Ek(12C) = (0.5 － 17) MeV/u。

SSC – Separated Sector Cyclotron

• 上世纪 80 年代末建成。• K ＝ 450 Ek(A/q=2) 110 MeV/u

。

CSRm – Cooling Storage Ring main

• 2007 年完成建造与调试。• Ek(A/q=2) 1000 MeV/u

。

HIRFL: Beam facilities

N

CSRm

CSRe

SFC

SSC

SFC: 10 AMeV (H.I.), 17~35 MeV (p)

SSC: 100 AMeV (H.I.), 110 MeV (p)

CSRm: 1000 AMeV (H.I.), 2.8 GeV (p)

RIBLL1: RIBs at tens of AMeV

RIBLL2: RIBs at hundreds of A MeV

CSRe: storage ring with deceleration

RIB

LL

2

RIB

LL

1

HIRFL Main Performances

SFC SSC CSRm CSRe

Species Proton, HI Proton, HI Proton, HI Proton, HI, RIB, HCI

K/H

C(MeV/u)

U(MeV/u)

69

>10

0.8(q=26)

450

~100

11(q=40)

2880

1100

520(q=72)

2000

760

500(q>90)

P/P ~10-2 ~10-3 ~10-4 ~10-5

P/P (%) (entrance)

0.15 0.25~0.5

Emmitance

(mm-mrad)

>50 ~20 ≤5 ≤1

HIRFL: Exp. Sites

① Low energy site in general ② Atomic physics exp. site ③ SHANSSHANS - Spectrometer for Heavy Atom and Nuclear Structure

④ Heavy ion irradiation exp. site

⑤ RIBLL1RIBLL1 – 1st Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou

10

⑥ ETFETF – External Target Facility at CSR ⑦ CSRe – Experimental Ring ⑧ PISA ⑨ Tumor therapy site

HPLUS

Main Exp. Setups at Main Exp. Setups at HIRFL-CSRHIRFL-CSR

CSRm

CSRe

SFC

SSC

SFC: 10 AMeV (A/q=2) SSC: 100 AMeV (A/q=2) CSRm: 1.0 AGeV (A/q=2) CSRe: 0.76 AGeV (A/q=2)

HIRFL - CSR

RIBLL 1 ETF

SHANS

CSRe

•RIBLL 1RIBs produced via PF &

transfer with primary beams up to Kr

•SHANSSpectrometer of Heavy

Atoms & Nuclear Structure

•ETFExternal Target Facility

for RIB experiment & asymmetry nuclear matter research

•CSReMass measurement with

cooling storage ring

放射性核带来的扩展•新的核形状出现：晕核、准分子态

•沿同位旋自由度变化核半径偏离 A1/3规律•奇异放射性 (直接质子发射、双质子发射、… )

•随同位旋的变化老的幻数可能消失，新的幻数出现

放射性束物理研究放射性束物理研究传统核物理知识•放射性 (,,)及裂变现象•核半径的 A1/3规律及核形状•核的液滴模型•壳模型及“幻数”

少数价核子耦合的奇异量子现象少数价核子耦合的奇异量子现象

极限原子核的性质：质子滴线极限原子核的性质：质子滴线

集体运动模式随同位旋的演变集体运动模式随同位旋的演变

单粒子性质（幻数）随同位旋的演变单粒子性质（幻数）随同位旋的演变

放射性束物理研究放射性束物理研究（ N/Z 维度上研究原子核和核物质）

ETF : ETF : External Target FacilityExternal Target Facility

Can be done at ETF?Can be done at ETF?

18 18

12

12

12

B.A. Li, Nucl. Phys. A708, 365 (2002)

Density reachable at CSR energies

• n/p ratios, / ratios ，…

• Nucleon differential flow

• Hard photons

• IMFs: isospin transport / diffusion / isoscaling

Possible observables

ETF :ETF : External Target FacilityExternal Target Facility

CsI+Clover 探测器

TPC

硅条探测器阵列CsI+Clover 探测器

TPC

硅条探测器阵列

New DetectorsNew Detectors

• -ball (CsI(Tl) array + Clover)• TPC (at target region)• Si-strip array (behind TPC)• MWPC (inside dipole)Possible PhysicsPossible Physics

• For RIB Physics• For EoS of asymmetry nuclear matter• For high baryon density matter

定位：通用谱仪

CSR外靶实验装置• 偏转磁铁

CSR外靶实验装置• 中子探测器 （与靶点距离约为 13 m）

14层（ 2层纯闪烁体 BC-408， 12层BC-408+Fe），每层 18个探测单元，相邻层单元正交排列

闪烁体单元两端读出时间分辨随位置的分布

闪烁体单元平均时间分辨随位置的分布

量能器单元平均时间分辨曲线

CSR外靶实验装置• 径迹探测器

漂移室的预期指标为：位置分辨率＝ (0.20 ～ 0.26) mm ，对最小电离粒子 (MIP) 的探测效率为 95% ～ 97 ％，能承受的最高计数率 104/ 丝

CSR外靶实验装置• 飞行时间探测器

被测单元条单端时间分辨 被测单元条的平均时间分辨

数量： 3 组结构： 每组由两层各 30 根探测单元平行错位组成，有效面积 1.2*1.2m2

探测单元：光电倍增管双端读出的 BC-408 闪烁体，尺寸为 120*4*1cm3

位置： 可移动

CSR外靶实验装置• 靶区球

CsI+Clover 探测器

TPC

硅条探测器阵列CsI+Clover 探测器

TPC

硅条探测器阵列

单元： CsI ＋ APD

单元数： 6480

CsI 晶体总体积： ~4105 cm3

CSR外靶实验装置• 时间投影室 (TPC)

灵敏体积： 330330390 mm3

电场方向：上下信号读出： GEM/MicroMegas

水平方向位置分辨： ~200 m

垂直方向位置分辨： ~ 1 mm

dE/dx 分辨： ~5%

CSR外靶实验装置• 硅条探测器阵列

组成： 32 个粒子鉴别望远镜

粒子鉴别望远镜： 5 cm 5 cm 150 m 双面分

条 Si + 5 cm 5 cm 500 m 双面分条 Si 组成，条宽 0.5 mm

•Pion探针：探测束流能量 Ebeam=200 － 600 MeV/nucleon(阈下和近阈。 Pion产生阈能为 278MeV/nucleon

via NN->NNpi)时丰中子核引起的重离子碰撞中的荷电 pi- 和 pi+产额和能谱以及 pi-/pi+产额比率等。•Kaon 探针：探测丰中子核引起的重离子碰撞中的阈下 ((Kaon 产生阈能为 1.585 GeV/nucleon via pp->pLamdaK+))K0 和 K+产额和能谱以及 K0/K+产额比率等。•Σ超子探针：探测丰中子核引起的重离子碰撞中的阈下 ((Σ 产生阈能大约为 1.585 GeV/nucleon via pp->pΣ0K+)Σ＋和 Σ－产额和能谱以及 Σ ＋ /Σ－产额比率等。•中子、质子以及轻粒子探针：测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中 n ， p ， d ， t以及 3He等轻粒子产额和能谱， n/p产额比率， t/3He产额比率，粒子－粒子 HBT关联函数，以及这些粒子的集体流行为 (直接流， n-p差分流， t-3He差分流，挤出流，椭圆流，四阶非各向同性流流等 )。•硬光子探针：测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的硬光子产生对于对称能的确定以及核介质中核子 -核子碰撞截面及其同位旋相关性有重要意义。•同位旋弥散：系统测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的同位旋弥散 (isospin diffusion)。同位旋弥散灵敏地依赖于对称能，这对于更精确确定对称能的密度相关性有重要意义。•同位旋标度：系统测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的同位旋标度 (isospin scaling)，这对于更精确确定对称能的密度相关性有重要意义。•动量相关的同位旋相分离：同位旋相分离 (isospin fractionation)是对称能的灵敏探针。实验上已经发现，在丰中子核引起的重离子碰撞中，低密核物质相 (核子以及轻碎片 )相对于较高密核物质相 (较重碎片 )通常更加丰中子。最近研究表明，考察同位旋相分离的动量相关性可以很好地确定对称势的动量相关性。•？

•Pion探针：探测束流能量 Ebeam=200 － 600 MeV/nucleon(阈下和近阈。 Pion产生阈能为 278MeV/nucleon

via NN->NNpi)时丰中子核引起的重离子碰撞中的荷电 pi- 和 pi+产额和能谱以及 pi-/pi+产额比率等。•Kaon 探针：探测丰中子核引起的重离子碰撞中的阈下 ((Kaon 产生阈能为 1.585 GeV/nucleon via pp->pLamdaK+))K0 和 K+产额和能谱以及 K0/K+产额比率等。•Σ超子探针：探测丰中子核引起的重离子碰撞中的阈下 ((Σ 产生阈能大约为 1.585 GeV/nucleon via pp->pΣ0K+)Σ＋和 Σ－产额和能谱以及 Σ ＋ /Σ－产额比率等。•中子、质子以及轻粒子探针：测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中 n ， p ， d ， t以及 3He等轻粒子产额和能谱， n/p产额比率， t/3He产额比率，粒子－粒子 HBT关联函数，以及这些粒子的集体流行为 (直接流， n-p差分流， t-3He差分流，挤出流，椭圆流，四阶非各向同性流流等 )。•硬光子探针：测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的硬光子产生对于对称能的确定以及核介质中核子 -核子碰撞截面及其同位旋相关性有重要意义。•同位旋弥散：系统测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的同位旋弥散 (isospin diffusion)。同位旋弥散灵敏地依赖于对称能，这对于更精确确定对称能的密度相关性有重要意义。•同位旋标度：系统测量不同入射能量丰中子核引起的重离子碰撞中的同位旋标度 (isospin scaling)，这对于更精确确定对称能的密度相关性有重要意义。•动量相关的同位旋相分离：同位旋相分离 (isospin fractionation)是对称能的灵敏探针。实验上已经发现，在丰中子核引起的重离子碰撞中，低密核物质相 (核子以及轻碎片 )相对于较高密核物质相 (较重碎片 )通常更加丰中子。最近研究表明，考察同位旋相分离的动量相关性可以很好地确定对称势的动量相关性。•？

在 CSR能区可能的重离子碰撞实验探针

在 CSR外靶终端实际情形下的可行性 ?如何实现 ?

Cooling-Stacking and Acceleration in CSRmCooling-Stacking and Acceleration in CSRm

07/03/01 20:3284MeV→12 GeV, Top current (final record) : 3.4 mA, 2.1109

全过程：注入→储存→冷却→堆积→加速

CSRm实现冷却储存环和加速器的功能

SFC

TR5

TR3TR4

TR2

TR1

TL2

TL1

SSC PDC

T1

RIBLL1

RIBLL2

PT

HIRFL-CSR Commissioning Scheme for Ar-beamHIRFL-CSR Commissioning Scheme for Ar-beamMode: SFC + SSC + CSRm + CSReMode: SFC + SSC + CSRm + CSRe

K=450K=69

HIRFLHIRFL36Ar8+- 2 MeV/u

ECR

36Ar8+- 22 MeV/u

Ar8+

Ar18+

MMI-36Ar18+

Stripper e-cooling

CSRm36Ar18+-368MeV/u

CSRe36Ar18+-368MeV/u