兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）在等时性工作模式下完成高精度核素质量测量 

兰州重离子加速器（HIRFL），位于中科院近代物理所，是专用于重离子研究的大科学装置。兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）是HIRFL的扩建工程，2008年7月正式通过国家验收并投入运行。HIRFL-CSR是一个集加速、累积、冷却、储存、内靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验研究装置，是我国目前规模最大、加速离子种类最多、能量最高、束流品质最好的重离子加速器系统，使我国重离子冷却储存环技术达到了国际先进水平。2008年，HIRFL-CSR在等时性工作模式下完成了高精度核素质量测量，所获数据在天体核物理研究中具有重要意义。 

原子核的质量或结合能是原子核这个量子多体系统最基本的特性之一，它直接反映了核内强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用的结果。核物理历史上里程碑式的重大发现，如同位素的确认、液滴模型和壳模型的建立等，都和系统的原子核质量数据密切相关。原子核质量的精确测量，不仅可以提供原子核的基本信息，深化人们对核结构的了解，而且可以促进理论模型的发展和理解核天体物理中宇宙演化和元素的合成过程。 

理论预言，可能存在约6000-8000种原子核。目前，实验上已鉴别了约2960种原子核，并测量了其中约2230种原子核的质量，还有大量原子核的质量有待实验测量。另外，对于很多已知质量的原子核，实验测量结果误差较大，针对各种重要的物理问题，亟需高精度的实验结果。

利用精确测量的原子核质量数据，可以提取单核子分离能、双核子分离和壳间隙等物理量，从而得到原子核存在极限的最直接证据、揭示远离稳定线原子核壳层结构、对能、形状等的演化。在核天体物理学中需要有一个对各种恒星核合成过程的合理描述，理论描述的可靠性和准确性很大程度上依赖于不稳定核素的基态质量和寿命等关键实验数据。精确的核质量实验数据对于天体核反应率的估计和原子核转换的动力学计算，进而对于理解宇宙中元素的丰度分布是极其重要的。高精度的质量测量数据还广泛地应用于检验基本相互作用、中微子物理和标准模型等物理学领域。

目前，预言未知的原子核质量只能依赖各种质量模型来计算。所有计算原子核质量的模型和公式都是通过拟合已测的原子核质量，外推得到未知的原子核质量。各种理论模型能够很好地再现稳定线附近原子核的质量，但外推到未知质量的远离稳定线原子核时，不同模型间差异很大。因此，为了检验理论模型和改进模型的预言能力，就需要在实验上获得那些远离稳定线核素的质量。

HIRFL-CSR是一个双冷却储存环系统，由主环CSRm和实验环CSRe构成，两环之间为一条放射性束流产生装置（RIBLL2）。CSRm能够提供500～1100AMeV的重离子束流。重核的裂变和碎裂可以产生众多远离稳定线的短寿命原子核。经过RIBLL2分离和纯化，这些不稳定原子核可被注入到CSRe。CSRe既是一个冷却储存环也是一个高精度磁谱仪。利用重离子储存环，结合飞行中碎片分离装置，可以对大批短寿命放射性核素进行高精度的质量测量。这是一种独特的方法，其优势已在德国GSI研究所的装置上得到了充分展现。我国已成为第二个有能力进行这种测量的国家。

基于冷却储存环有两种质量测量手段。一种称为Schottky质量谱仪（SMS），通过冷却技术，使离子在环中的速度弥散降至5×10^-7，环中储存离子速度趋于一致，回旋频率仅仅取决于其荷质比。利用Schottky探测器测量离子在储存环中的回旋频率就可以得到其质量。这种方法达到的分辨率为2×10⁶，测量精度为30keV。因离子的冷却需要近10秒钟的时间，SMS方法局限于测量寿命长于秒量级的原子核的质量。另一种方法是等时性质量测量谱仪（IMS），储存环工作在等时性模式下。通过调节注入离子的能量，使同一种离子速度大的沿较长轨道运动、速度小的沿较短轨道运动，即离子在环中的回旋频率与运动速度无关。离子的回旋频率由一个特殊设计的飞行时间探测器测定。IMS方法能够测量寿命短至微秒量级的短寿命核的质量。

2007年11月，利用兰州重离子加速器冷却储存环产生的400MeV/u ³⁶Ar¹⁸⁺束流，轰击2.828 mm Al₂O₃靶，弹核碎裂后次级束通过RIBLL2分离注入实验环，实验环工作在等时性模式下，此时环的y_t为1.395。利用飞行时间探测器测量离子在环内的回旋周期，首次在实验环上测量了放射性核素的质量，得到质量分辨水平为8×10^-6，达到了同类方法的国际先进水平。

2008年12月，利用481.88MeV/u的⁷⁸kr^28＋轰击15mm的Be靶，弹核碎裂后次级束通过RIBLL2分离传输注入到实验环，利用等时性方法测量了大量核素的质量。实验中首次测量了位于质子滴线附近的⁶³Ge, ⁶⁵As和⁶⁷Se核的质量。通过质量公式计算，得到它们的质量亏损分别为-46677(263)keV,-47418(567)keV和-46966(512)keV。对于⁶⁵As, 其质子分离能为M(⁶⁴Ge)+M(p)-M(⁶⁵As)。利用已精确测量的⁶⁴Ge和质子质量，得到65As的质子分离能为391keV，这表明⁶⁵As是质子束缚的。因此，As同位素的质子滴线位置不在⁶⁵As，而可能位于⁶⁴As或⁶³As。⁶³Ge, ⁶⁵As和⁶⁷Se核处于天体物理快质子俘获过程的路径中，它们的实验质量值对于理论模拟快质子俘获过程具有重要的意义。核天体物理网络计算表明，如果⁶⁵As是质子非束缚的，则⁶⁴Ge是一个标准的“等待点”核；如果⁶⁵As是质子束缚的，快质子俘获过程会通过⁶⁴Ge)＋p→(⁶⁵As)＋p→(⁶⁶Se)进行，⁶⁴Ge在快质子俘获过程中的等待作用将弱化。现在，正与理论学家合作，探讨⁶³Ge, ⁶⁵As和⁶⁷Se核质量的高精度测量在核天体快质子俘获过程中的重要意义。该项实验结果在第七届国际储存环核物理会议和第十届核核碰撞国际会议上报告后，已经引起了广泛关注。

兰州重离子加速器冷却储存环 

兰州重离子加速器冷却储存环布局示意图