弱s过程中Ni同位素链的中子俘获反应率不确定度研究

The weak s-process mainly produces most of the isotopes between iron and strontium(60<A<90). Nickel is considered to be one of important seed nuclei, the variation of its neutron capture reaction rates will affects the abundance distribution of heavier isotopes with 60<A<90 along the s path. In addition, It is reported that the yields of 62Ni, 63,65Cu is overproduced in comparison with the solar system abundances in massive star calculations. Therefore, it is important to perform a study of nuclear reaction rates of Ni nuclei in s-process together with its uncertainties based on experimental data. In this proposal, a combinatorial method of a new Monte Carlo technique with the R-matrix analysis procedure, will be employed to carry out the study of reaction rate uncertainties of neutron capture for Ni isotopes in weak s-process. From the rigorous statistics point of view, each physics quantity such as resonant energies, resonance strength,will be associated and sampled randomly with specific probability density function, a resulting probability distributed function will be determined for the total reaction rates. For those reactions with no experimental information available at low energy that favors the Coloumb barrier effects, a successful R-matrix analysis method will be introduced to derive the properties of resonant reaction for compound nuclide Ni. This investigation of the reaction rate uncertainties is crucial importance for understanding the overproduction problems of 62Ni,63,65Cu nuclide in stellar model calculations and the evolution of stellar elements.

大质量恒星中弱s过程，主要合成由Fe到Sr的元素(60<A<90)；Ni核是弱s过程的重要种子核素，Ni中子俘获反应率的改变，将沿着s过程核合成路径影响60<A <90重元素丰度分布；与太阳系元素丰度相比，62Ni和63,65Cu在恒星模型计算中被过量产生。因此，根据实验数据开展s过程Ni核的核反应率不确定度研究，是很重要的。本项目，采用新的蒙特卡洛技术与R矩阵分析的联合方法，开展弱s过程Ni核素链的中子俘获反应率不确定度研究；从较严格的统计学意义角度，分别对实验参量，如共振能量、共振强度等，按一定的概率密度抽样，并考虑彼此间的关联，给出总反应率的概率分布；对库伦效应占优的低能核反应，实验数据缺乏，将引入较成功的R-matrix分析方法推导复合核Ni的共振反应参数。本课题Ni核反应率不确定度研究，对理解模型中62Ni和63,65Cu核素过量产生以及恒星元素演化等，具有重要意义。

58Ni, 62Ni是大质量恒星中弱s过程的重要种子核素，主要沿着s过程核合成路径影响60<A <90重元素丰度分布，但目前关于Ni中子俘获实验测量数据极其稀少。为理解58Ni中子俘获及62Ni复合核能级信息，并进一步约化核反应率不确定性，本研究基于影响核反应率不确定度的闪烁体探测器表面微结构及性能、58Ni与61Ni中子俘获反应的实验测量数据，进行了实验和理论研究。通过多道多能级R矩阵程序和蒙特卡洛模拟技术，研究了影响核天体中子诱发的Ni同位素链核反应率不确定度因素。得到的主要结果与结论是：. (1)BGO(Bi4Ge3O12)、LYSO((Lu, Y)2SiO5:Ce)是常用于Ni中子俘反应测量等核物理实验测量的两种重要闪烁体探测器。从影响Ni中子俘获反应率不确定度的实验角度，我们利用自组装方法，创新性地在BGO晶体表面成功制备出单层二维SiO2光子晶体阵列，提高了光提取效率。光提取增强比达到145.3%。利用电子束流与离子束流刻蚀的方法，在LYSO晶体表面制备出2.0 × 2.0 mm2大面积TiO2 孔二维光子晶体结构。光学测量显示LYSO晶体纳米结构表面光提取增强比153.0%，并以241Am放射源激发测量得到了43.8%的能量分辨提升。通过闪烁探测器表面微结构加工设计及合理的探测系统布局，Ni中子俘获反应率值不确定度最大可被约化掉~ 45%的不确定区间。. (2)通过蒙特卡洛和修正的R矩阵联合方法，多道多能级分析了58Ni(n,γ)、58Ni(n,p)、58Ni(n,α)、61Ni(n,γ)等实验测量数据。得到59Ni在激发能Ex = 9009.2 keV(1/2-) 等处四个新共振能级及自旋-宇称值；首次指认了59Ni的Ex = 11.3553 MeV(1/2+)等12个能级的自旋-宇称值。通过对61Ni(n, γ)实验数据分析，在中子相对入射能量Ecm = 28-100 keV范围，我们建议62Ni复合核中存在Ex = 10628.1 keV(1-)等5个尚未在实验和理论上指认的新能级。.该工作对59Ni、62Ni新共振能级参数的指认，直接影响了58Ni、61Ni中子俘获反应率的计算，及其随后s过程核合成路径上Cu及Cu以上元素的核反应率及丰度大小，为进一步约化恒星模型中62Ni及63,65Cu元素丰度的过量产生提供了新可能。

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