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理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究中心实验装置开发部部长大西哲哉、京都大学化学研究所教授若杉昌德、立教大学理学部物理系教授栗田和好、东北大学电子光理学研究中心教授须田利美等共同研究小组， 首次成功地进行了利用不稳定原子核(不稳定核)静止目标的“分裂法( SCRIT法) [1]”的高能电子散射实验[2]，证实了不稳定核的质子分布[3]可以直接确定。 本研究成果是理研仁科加速器科学研究中心的重要项目之一，有望促进新原子核模型的构建。 不稳定核的质子分布由构成质子的波函数[4]叠加而成，是反映不稳定核特异内部结构的重要物理量。 可以直接观测该分布的电子散射实验已经等了很久。 由于传统的电子散射方法需要使用多达1020个不稳定核的静止目标，联合研究小组开发了SCRIT法，证实了2017年可以利用微少量( 107~108个)原子核进行电子散射实验。 此次，联合研究小组开发了将不稳定核转换成几乎100%脉冲束的技术，通过SCRIT法实现了不稳定核静止目标，成功进行了不稳定核的电子散射实验。 在本实验中，将电子束照射铀靶生成的约107个不稳定核铯-137(137Cs :质子数55，中子数82 )入射到了电子积蓄环SR2[5]内的SCRIT装置[1]上。 入射不稳定核通过SCRIT法作为浮动静止目标，使用约200~300mA的环绕电子束引起了电子散射现象。 本研究刊登在科学杂志《Physical Review Letters》在线版( 8月30日)上。
此次实验方法的示意图
有限时间内衰变的原子核(不稳定核)是由质子和中子组成的量子多体系统，同时具有与天然存在的稳定原子核(稳定核)不同的异国特征(晕圈[6]、蒙皮[6]、新魔法数[6]等)。 近年来，由于加速器技术的进步，制造出了各种各样的不稳定核，正在积极地进行研究。 特别是不稳定核的大小和形状是直接反映波函数的基本且重要的物理量。 迄今为止，人们一直在尝试直接测量这些物理量，但由于利用了核力[7]，因此存在着模型依赖性和不稳定性较大的问题。 电子散射是电子在物质内部或附近通过时受到调制而反弹的现象。 通过精密分析被调制的电子，可以详细调查物质的内部结构。 在原子核研究领域，高能电子散射是仅由众所周知的电磁相互作用引起的现象，因此是了解原子核内部结构，特别是质子状态的直接、高精度的方法。 除此之外，由于具有很高的可靠性，可以提供其他实验和原子核理论的基础信息。 这个测量原理本身确立于半个多世纪前，对稳定核进行了大量的实验，结果建立了原子核的基本模型。 由于其功绩，罗伯特霍夫斯塔德博士在1961年获得了诺贝尔物理学奖。 但是，很久没有对不稳定核进行电子散射实验了。 那是因为，很难制作出使用了测量所需的不稳定核的静止目标。 为了解决这种情况，联合研究小组于2008年开发了一种叫做“scrit:self-confining ri ion target”的给电子散射实验带来革命的方法(图1 )。 通过SCRIT法的非常高效的靶制作技术，可以在微少量靶上进行电子散射实验。 联合研究小组从2009年开始，用了约6年的时间，在理研仁科加速器科学研究中心内建设了SCRIT电子散射设施，2017年，利用微少量(约108个)稳定核，通过SCRIT法成功进行了电子散射实验。注1 )。 之后，推进了面向不稳定核的电子散射实验的开发。
图1 SCRIT法示意图
首先，电子束撞击目标(铀)，生成不稳定核。 生成的不稳定核被输送入射到电子绕圈的电子储存环中，在绕圈电子的负电荷和自身的正电荷之间作用的电力量(陷阱力)的作用下，作为悬浮靶被保持。 被不稳定核散射的电子向外飞出。
注1 ) 2017年6月28日新闻发布会《查看原子核的新型电子显微镜完成》
联合研究小组在SCRIT电子散射设施中，使用不稳定核铯-137(137Cs :质子数55，中子数82 )，进行了世界上首次基于在线生成[8]的不稳定核静止目标的电子散射实验(图2 )。 SCRIT电子散射设施由电子加速器150MeV微加速器RTM[9]、电子储存环SR2和不稳定核生成分离装置ERIS[10]组成。 SR2的直线部插入了脚本装置。 SR2存储能量150~300兆电子伏( MeV，1MeV为100万电子伏)、电流200~300mA的电子束，每秒约有1018个电子通过SCRIT装置。 另一方面，从RTM输出的电子束照射到ERIS内的碳化铀目标上。 作为铀( 92U )碎片的不稳定核作为离子束被取出，不稳定核在冷却器室FRAC[11]内积累到足以进行测量的量后，作为脉冲束被引导至SCRIT装置。 在SCRIT装置内，离子被电子束轴上三维捕获，成为浮动目标。 撞击目标并散射的电子离开电子储存环，使用分析磁铁WiSES[12]和设置在其前后的漂移室检测器[13]，分析散射方向和能量、动量。 根据其分析结果，导出目标原子核的内部信息。 这样，SCRIT电子散射设施就变成了以微量不稳定核为试料的所谓“巨大的电子显微镜”。
图2 SCRIT电子散射设施
用红线表示的来自电子加速器RTM的电子束，在被引导到电子储存环SR2储存的同时，照射到离子源的铀靶上生成不稳定核。 生成的不稳定核沿着蓝线，中途通过冷却器室FRAC变换为脉冲束输送，入射到SCRIT装置。 环绕的电子束与SCRIT装置内俘获的不稳定核碰撞，散射的电子由分析磁铁WiSES和漂移室检测器进行分析。
在本测定中，向相当于30g的铀(碳化铀目标中含有的铀)照射约20W的电子束，生成了不稳定核。 生成的不稳定核从加热到接近2，000℃的目标中取出，作为离子束由离子源提供。 通过此次开发的ERIS和FRAC的协同积蓄技术[14]注2 )，将由ERIS筛选出的目标137Cs离子束(每秒约107个提供)无损地转换为冷却且高质量的脉冲束。 结果，137Cs离子在4秒钟内积累，可以作为约4×107个能量齐全的137Cs脉冲光束提供。 图3显示的是用于生成的碳化铀靶和观测到的137Cs脉冲光束。
图3碳化铀靶和示波器观测到的137Cs脉冲束
(左)实验中使用的碳化铀靶。 将43枚直径18mm、厚度0.8mm的碳化铀靶重叠使用。 位于目标左侧的是用于高效地将电子束转换为γ射线的钽转换器，位于目标右侧的是用于调整空间的石墨。 (右)示波器观测到的137Cs脉冲束波形。 每秒生成107个的137Cs离子用FRAC蓄积4秒钟，作为300微秒(μs，1μs为百万分之一秒)宽的脉冲取出，测量电荷。 积分后，变为相当于4×107个137Cs离子的电荷量。
在本实验中，我们测量了在碰撞过程中不失去能量，只有动量发生变化的弹性散射现象。 通过观察弹性散射现象，可以调查原子核的形状(质子密度分布)。 使用150MeV、约250mA的环绕电子束，使用基于SCRIT法的约107个靶进行了实验。 通过重构散射电子的轨道，辨识了散射地点，求出了散射角和能量。 图4左侧表示得到的散射地点的分布，可以看出是从俘获在电子束周围的原子核散射而来的。 在实验中，有来自漂浮在真空中的残留气体[15]的影响。 为了消除其影响，还测量了只有残留气体的情况。 图4左侧用蓝色标记的区域表示来自残留气体的贡献，扣除其影响后，表示只有137Cs离子的弹性散射现象的角度分布，如图4右侧所示。 在此，如果同时绘制来自残留气体的贡献，则可以看出角度分布有明显的差异。 这就是得到的现象是来自137Cs离子的散射电子的证据。
图4散射位置分布和角度分布
(左)根据WiSES和检测器求出的散射电子轨迹导出的电子散射地点的分布。 可知沿着电子束轴(高度位置0mm )分布。 红色直方图为加入铯( 137Cs )离子时的分布，蓝色直方图为未入射铯离子时的分布。 (右)弹性散射事件的角度分布。 红点的曲线是来自铯离子的弹性散射事件，蓝色是来自残留气体的事件的曲线。 可知红色和蓝色的斜率明显不同。
此次测量在生成比以往电子散射实验中使用的目标数(约1020个)少12~13位数的微少量(约107个)不稳定核的同时，将其作为静止目标使用，首次成功地实现了基于不稳定核的电子散射。 这是SCRIT法对不稳定核静止目标的实证，同时也可以说是基于电子散射的不稳定核研究的开幕。
注2 ) T. Ohnishi et al .，riken Accel.Prog.rep.53，110 ( 2020 )
本研究证实了将生成的不稳定核直接作为电子散射的静止目标使用的方法。 预计这将使利用电子散射的不稳定核研究变得活跃。 实际上，一些外国研究机构也对这次的手法感兴趣，并开始面向未来进行研究。 今后，我们将增强电子加速器的束流功率，将不稳定核的生成能力提高到现在的100倍。 据此，我们将测量各种不稳定核的质子分布，以构建新的原子核模型。 另外，由于实现了不稳定核的静止目标，为不稳定核研究提供了新的研究方法。 由此，可以期待电子散射以外的、迄今为止难以实现的实验成为可能。
1 .分割法( SCRIT法)、SCRIT装置 SCRIT ( self-confining ri ion target )法是利用电子束的新靶制作技术，SCRIT装置是利用scrit法的靶陷阱装置。 一方面聚焦的高能电子束是负电荷的流动，另一方面，作为目标的离子带有正电荷。 因此，如果使目标离子接近电子束旁边，离子就会被引入电子束流中。 被引入的目标离子无法逃逸，成为集中在电子束通道上悬浮的状态。 该浮游离子直接作为电子散射的目标发挥作用，因此自动发生电子散射现象。 因为电子束尽量大的电流比较好，所以使用电子储存环。 但是，为了不使俘获的离子向电子束的飞行方向扩散，事先在束方向施加静电屏蔽电压。 SCRIT装置是指为形成该势垒电压，安装在电子存储环内的电极系统。 2 .高能电子散射实验 调查物质的性质，一般是对物质进行刺激，观察其响应。 作为其中之一，将电子束作为探针与物质碰撞，观测散射的电子的方法称为电子散射。 需要根据对象物质的大小，优化电子束的能量，观测原子核等极微小物体时，需要使用100兆电子伏( MeV )以上的能量。 这种使用高能电子束的散射实验称为高能电子散射实验。 3 .不稳定核的质子分布 原子核由质子和中子构成，作为各个粒子波函数的叠加，可以得到原子核的密度分布。 平均的质子和中子的密度分布从中心部到表面是一定的(原子核密度的饱和性)，在表面附近急剧变小。 在不稳定核中，这样的饱和性有一部分被破坏，大量渗出到外侧，中央部的密度与以往的原子核不同等，进行了理论预测。 因此，精密调查密度分布很重要。 电子散射可以详细调查带电荷质子的密度分布，在不稳定核研究中，是被期待已久的实验。 4 .波函数 在量子力学中，表示某种状态概率的东西。 这里表示粒子存在于某个位置的概率。 通过使构成原子核的粒子的波函数重合，表示原子核内部的所有粒子的分布，从而反映原子核的形状。 5 .电子存储环SR2 电子储存环是电子束在环状真空管中高速旋转的装置，既可以作为加速器，也可以作为陷阱装置。 电子储存环的优点是，由于1秒钟旋转1，000万圈，因此即使储存少量电子也容易获得大电流，维持的能量较小即可。 SR2是严格加密密钥存储环的缩写。 6.hello，皮肤，新魔法数 不稳定核所具有的异国情调性质的代表例。 晕圈、皮肤以中子晕圈、中子皮肤为代表。 中子晕是指少数(1~2个)中子比原子核本身扩展和分布得更大的状态。 中子皮表示原子核内整体的中子分布和质子分布大小的差异，表示在异国情调的不稳定核中，原子核表面附近只有中子的区域渗出的状态。 魔法数是指在原子核的结构中，处于稳定状态的质子和中子的特别数量。 在稳定核中，已知2、8、20、28、50、82、126。 在不稳定核，特别是中子大量存在的中子过剩核中，稳定核中的魔法数消失，出现新的魔法数。 例如，已知8、20、28消失，出现新的魔法数16、34。 参照2019年10月18日新闻发布会《新魔法数34的新证据》。 7 .核力量 是在极小的区域内将构成原子核的多个质子和中子联系在一起的力，在原子核的结构形成中起支配作用。 8 .在线生成 在利用加速器进行的实验中，使电子束与目标碰撞，当场实时新生成作为研究对象的原子核，特别是寿命较短的原子核。 生成的原子核从生成装置引导到测量装置，用于各种实验。 9 .电子加速器150MeV微加速器RTM 在SCRIT电子散射设施中，提供用于入射到存储环和生成不稳定核的电子束的加速器。 使电子枪提供的60keV电子束在磁铁中旋转的同时加速。 作为特征，有时即使通过加速管的电子轨道被加速也不会改变。 每周加速6MeV，25周达到150MeV，取出。 RTM是Racetrack Microtron的缩写。 10 .不稳定核生成分离装置ERIS 生成不稳定核的靶部和离子源一体化的装置。 向目标照射大强度光束，从目标生成不稳定核，作为离子束分析质量后提供的低能量RI光束提供装置被称为isol ( isotope separator for on-line )。 目标被加热到约2，000℃附近，可以迅速将生成的不稳定核从目标中取出。 之后，通过使用适合目标元素的离子化方式的离子源提供离子束。 此时，离子束的能量为数~数十keV。 ERIS是electron-beam-driven ri separator for scrit的缩写。 11 .空调FRAC 通过施加高频的四极电极，抑制离子扩散，可以积蓄在装置内的装置。 入射时为连续光束的，在取出时可以作为宽度短的脉冲光束取出。 因此，内部潜力向着出口变低。 装置内充满缓冲气体(约10-3Pa )，使短时间内蓄积的离子能量一致。 FRAC是fringing-RF-field-activated DC-pulse converter的缩写。 12 .分析磁铁WiSES 分析从目标散射的电子的电磁铁。 设置在SCRIT装置的附近，利用磁场的力使从SCRIT装置射出的散射电子弯曲，根据其弯曲方法分析电子的动量(能量)。 在本研究的弹性散射中，确认散射电子的能量与原束的能量相同是非常重要的，因此是不可缺少的分析器。 由于磁场的分布事先经过了仔细调查，因此可以根据后述的漂移室检测器的数据再现散射电子的飞行轨迹。 WiSES是window-frame spectrometer for electron scattering的缩写。 13 .漂移室探测器 一般用于观测高能带电粒子飞行轨迹的类型探测器。 在充满稀有气体和有机化合物混合气体等的容器中，张紧有多根金属丝，在金属丝之间保持一定的电位差。 带电粒子通过气体中时因与气体的碰撞而产生的电子在该电压的作用下在气体中移动(漂移)时被电压加速，通过它们进一步与气体碰撞而产生更多电子的雪人式放大作用，生成的该电荷被金属丝吸收而成为信号 通过记录该事件发生的地点，重构带电粒子的飞行轨迹。 14.ERIS和FRAC协同积累技术 在不稳定核生成分离装置ERIS上也安装了离子积蓄机构，通过使ERIS和冷却器室FRAC各自的离子积蓄同步，使离子无损地变换为脉冲束成为可能的技术。 入射到FRAC内的离子被冷却期间(约几十毫秒)，离子在ERIS内被蓄积。 由于被冷却的离子不再从FRAC中逃逸，因此可以在保持FRAC内离子的同时，重新注入在ERIS中蓄积的离子。 通过同步重复进行一系列动作，可以在FRAC内大量积累而不会失去离子，并作为脉冲束一次性取出。 15 .残留气体 真空中，漂浮着排气不完的、氧和氢等微少量的中性气体。 这些气体从腔室内容物的表面和材料内部渗出。 SCRIT装置的工作真空度为10-8Pa左右，推测漂浮着3×106/cm3的中性气体。 考虑离子俘获的区域时，这相当于电子散射目标的厚度约108/cm2左右。
理化研究所仁科加速器科研中心实验装置开发部 部长大西哲哉 专职研究员渡边正满 合作研究员阿部康志 研究委托(研究当时)市川进一 研究委托原雅弘 研究委托堀利匡 京都大学化学研究所 教授若杉昌德 副教授冢田晖 助教小川原亮 研究生前原义树 研究生伊东佑记 立教大学理学部物理系 教授栗田和好 助教饭村俊 研究员榎园昭智 东北大学电子光理学研究中心 教授须田利美 助教本多佑记 嘱托玉江忠明 研究生和宇庆光 研究生乡家大雅 研究生克莱蒙·雷格里斯( Clement Legris )
本研究由日本学术振兴会( JSPS )科学研究经费资助事业( 22224004、24340057、17H04835、20H00147、2224004 )，以及文部科学省私立大学战略性研究基础形成支援事业(立教大学: S1411024 )，京都大学化学研究所国际共同进行。
Kyo Tsukada, Yasushi Abe, Akitomo Enokizono, Taiga Goke, Masahiro Hara, Yuki Honda, Toshitada Hori, Shinichi Ichikawa, Yuki Ito, Kazuyoshi Kurita, Clement Legris, Yoshiki Maehara, Tetsuya Ohnishi, Ryo Ogawara, Toshimi Suda, Tadaaki Tamae, Masatoshi Wakasugi, Masamitu Watanabe, Hikari Wauke, "First observation of electron scattering from online-produced radioactive target", Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.131.092502
理化研究所 仁科加速器科研中心实验装置开发部 部长大西哲哉 京都大学化学研究所 教授若杉昌德 立教大学理学部物理系 教授栗田和好 东北大学电子光理学研究中心 教授须田利美
理化研究所宣传室新闻发言人 京都大学涉外宣传科国际宣传室 tel:075-753-5729 /传真: 075-753-2094 email:comms [ at ] mail2.ADM.Kyoto-u.AC.jp 京都大学化学研究所宣传企划室 tel:0774-38-3328 /传真: 0774-38-3014 email:mt akeda [ at ] SCL.Kyoto-u.AC.jp 立教大学校长办公室宣传科 Email: koho [at] rikkyo.ac.jp 东北大学研究生院理学研究科理学部 宣传外伸支援室 tel:022-795-6708 /传真: 022-795-5831 email:sci-pr [ at ] mail.sci.tohoku.AC.jp ※请将上述[at]替换为@。
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