一种衰老谱的新探测方法

一种衰老谱的新探测方法

1丰中子核uf062稳定性研究放射性束物理是目前核物理研究的先进领域。近年来，随着新型辐射核束装置的成功运行，辐射流强度和质量的提高，放射性束研究的深度和广度显著提高，极大地改变了人们对原子能的传统理解。对于远离uf062稳定线的上、中、弱束缚核的uf062，由于实验困难，生存时间短，因此很难进行更换。uf062稳定线以外的uf062减小和衰减的q值通常很大。叶片变化的类型主要是uf062缓冲液和uf067。对于核结构的重要信息，尤其是核层结构、内单颗粒轨道和集体运动的信息，这些颗粒在退激励过程中发射。因此，对其研究可以极大地加深对uf062稳定带中、弱横带核特性的理解，尤其是在很大程度上验证现有核结构理论，尤其是地壳模型理论的可靠性和适用性。实验上为了研究这些丰中子弱束缚核的uf062衰变通常使用Beamon和Beamoff的方法.即在一定的时间内(Beamon),把放射性束流线产生的目标核阻止在适当的探测器中.当目标核累积到一定的数目时,再把束流偏转掉一定时间(Beamoff).这段时间内,当目标核在停阻探测器中发生uf062衰变时,这个停阻探测器给出uf062粒子的信号,同时利用不同的探测器分别测量衰变出射的uf067射线和中子或其他粒子.由于uf062衰变出射的电子能量谱是连续的,通常情况下,为了得到好的时间分辨和高的探测效率,uf062粒子探测器由一定厚度的塑料闪烁体探测器组成.基于此种考虑,我们实验组早前建立了一套用于丰中子核uf062衰变研究的探测系统.利用这套设备,我们在中国科学院近代物理研究所放射性束流线RIBLL1上成功开展了对丰中子核18,21N的uf062缓发中子发射实验研究,取得了很好的实验结果.目前,随着研究进一步向远离uf062稳定线方向发展,丰中子核uf062衰变实验研究出现了新的特点.其中一个特点是随着中子质子比的增加,放射性核束装置产生的丰中子目标核的纯度会逐渐降低,束流中其他不稳定丰中子核的比率逐渐增加.例如我们在研究18N核衰变时,束流中18N核的纯度有95.0%,但是做21N核衰变实验时,21N核的纯度降到了只有74.5%.这样在拟合衰变曲线时,其他不稳定核衰变的影响就不容忽视,对实验精度会造成一定影响.当实验研究继续向中子滴线方向扩展时,目标核的纯度会进一步降低,甚至小于50%,这时必须考虑如何有效减少束流中其他不稳定核的影响,以提高实验精度.同时由于放射性核束装置产生远离稳定线丰中子目标核的束流强度大大降低,从1s上千个降到1s零点几个,甚至更小.这样在实验周边本底计数率变化不大的情况下,本底对实验数据的影响会大大增加.为了得到可靠的实验结果,必须想办法减小周边本底计数的干扰.另一个特点是由于远离稳定线原子核的寿命比较短,继续使用Beamon和Beamoff的方法开展衰变研究,往往目标核还没有积累到一定的数量,就已经大部分衰变掉了,使束流的有效利用率较低,进而影响实验数据的统计.这些新特点说明当uf062衰变实验研究向滴线方向扩展时,需要发展新的实验测量方法.2高集成度前置放大器为了适应远离稳定线原子核uf062衰变实验研究的新特点,我们研制了一套新的粒子注入和uf062探测系统用于短寿命弱流强的丰中子核uf062衰变实验研究,实验装置见图1.其中双面硅微条探测器(Double-SidedSiliconDetector,DSSD)用作粒子注入和uf062探测器,同时测量丰中子衰变母核及其衰变出射的uf062电子.实验中粒子注入和uf062探测器我们选用了MicronSemiconductorLtd.生产的1.5mm厚W1型双面硅微条探测器W1型双面硅微条探测器有效面积50mm×50mm,正反面各16条,每条条宽3mm.这样,双面硅微条探测器就相当于有256个3mm×3mm的pixel.硅微条探测器前面的大面积硅探测器(Si1)用于入射核的鉴别,硅微条探测器后面的大面积硅探测器(Si2)用于把穿过硅微条探测器的轻核反符合掉.当丰中子母核在硅微条探测器上被停阻下来时探测器给出一个时间信号和一个位置信息.当母核发生衰变时,探测器测量衰变出射的uf062电子,同时给出衰变开始的起始时间信号和uf062电子的位置信息.只有在母核pixel位置附近测到的uf062信号才被认为与这个丰中子母核的衰变有关,其他pixel位置测到的uf062信号被认为是来自于周围的本底.由于位置关联条件的加入,使我们可以在连续束的模式下,对注入的不同种原子核衰变出射的uf062电子进行准确的归属判定,从而很好地扣除周边本底和束流中其他不稳定核衰变的干扰,减小了实验结果的误差.由于双面硅微条探测器不但要给出注入的衰变母核的能量、时间和位置信息,同时还需要提供母核衰变出射uf062电子的时间和位置信息,而衰变母核和电子在硅微条探测器中沉积的能量差别非常大,一般衰变母核在硅微条探测器中沉积的能量达到GeV量级,uf062电子在其中沉积的能量往往只有keV量级,为了使探测设备在这么大能量动态范围里都有好的能量分辨,同时信号不饱和,需要电子学的能量响应范围足够宽.为了解决这一问题,我们在实验中使用了德国MESYTEC公司生产的高集成度前置放大器MPR-16-LOG.MPR-16-LOG前置放大器的一个主要特点是它能根据能量信号大小的不同,使用不同的能量响应模式.在低能区,它是以线性模式工作的;而到了高能区,它是以对数模式工作的.这种特性使它覆盖的能量动态范围非常大,可以在0–3GeV的能区都有较好的响应.而且通过前置放大器控制面板的调节,可以轻松地选择前放线性模式工作的能量区间(0–2.5MeV或者0–10MeV).在我们的实验研究中,选取的线性模式工作能量区间是0–10MeV,即在0–10MeV区间,我们的前置放大器以线性模式工作;而在高于10MeV的能量区域,它以对数模式工作.3试验结果表明利用这套探测装置,2011年4月我们在中国科学院近代物理研究所RIBLL1上进行了反转岛区丰中子核的β衰变实验研究.3.1器件的能量性能实验前,我们首先用uf061源241Am(5.486MeV)测试了这套探测装置.双面硅微条探测器其中正面一条硅微条测得的能谱如图2所示,其能量分辨率(FullWidthofHalfMaximum,FWHM)为0.51%.由于我们的双面硅微条探测器在低能区主要是测量uf062电子,为此,我们用放射源207Bi(放出的单能内转换电子能量分别为482,555,976和1049keV)对双面硅微条探测器在低能区的性能进行了测试.其正面一条硅微条测得的能谱如图3所示,可以看到207Bi源的四个能量特征峰非常清楚.通过拟合,对于976keV的能量峰,其能量分辨率(FWHM)为2.16%图4给出了DSSD每一条硅微条对976keV能量峰的能量分辨,能量分辨率都在2%–3%.我们对四个峰的能量和对应峰道址进行了拟合(见图5),结果显示在此能量范围内探测设备有很好的能量线性.3.2束流中33al核的变换在中国科学院近代物理研究所进行的β衰变实验中,RIBLL1束流线产生的次级束33Al等丰中子核素(见图6)经过铝降能器降低能量后,注入到1.5mm厚的双面硅微条探测器中.利用这套探测装置,我们测量了入射的衰变母核及其β衰变出射的电子.在束实验时,不同种粒子在探测器中沉积能量的动态范围从keV到GeV.图7给出了这套探测设备实验得到的能量响应曲线,其中最低能的4个实验点来自用207Bi源测试的结果,其他的实验值来自在束实验的结果,其能量误差主要来自于注入放射性核束的能量离散.从图中可以看到探测装置在低能区很好地以线性模式工作,在高能区以对数模式工作.这个能量响应曲线与GSI的RISING用脉冲发生器测得的结果十分相似.图8给出了实验测得的33Al核的衰变谱.在束实验时,束流中33Al核的纯度为27.5%.图8(a)是没有利用DSSD测得的位置信息对33Al衰变母核和uf062电子进行位置关联得到的衰变谱.从图中可以看到其本底很大,同时束流中其他不稳定核的衰变对33Al核的衰变谱也有很大的影响.由图8(a)很难通过拟合得到可靠的33Al半衰期实验数据.图8(b)是利用DSSD测得的位置信息对衰变母核和uf062电子进行位置关联得到的衰变谱,可以看到其本底显著地降低了,由于uf062电子可以准确地判断其归属,这样我们在拟合实验数据时,就不用考虑束流中其他不稳定核的衰变对33Al核衰变谱的影响,使实验结果的准确性大大增加我们对33Al核的衰变谱拟合得到的33Al核半衰期T1/2=41.9(7)ms,这与文献值41.7(2)ms符合得很好.如图6所示,随着研究向远离稳定线方向发展,放射性束流中的核素种类比较多,在目标核附近的不同核素往往有10多种.这些核素的衰变信息对我们系统了解这个质量区原子核的衰变特点和结构非常有帮助.利用这套实验装置,在连续束模式下,通过衰变母核和β电子的位置关联关系,我们可以准确知道β电子来自于哪一个衰变母核,从而可以在一个实验中同时对入射的不同种核素进行β衰变研究,这样既避免了Beamon和Beamoff工作模式下停束时的束流损失,又能对束流中不同种类不稳定核的β衰变开展系统研究,大大提高了束流的利用率.3.3uf062研究不论是在实验前几个月的测试中,还是在一百多个小时的在束实验中,这套粒子注入和uf062探测装置在没有冷却的工作环境下都没有出现峰位移动或者能量分辨变差的情况,也没有出现温度过热的现象,说明其长时间工作是稳定的.4保证了实验数据的质量为了在远离uf062稳定线的核区开展uf062衰变实验研究我们研制了一套粒子注入和uf062探测装置.这套探测装置由于使用双面硅微条探测器作为停阻探测器,同时测量入射的衰变母核及其衰变出射的uf062电子,不但可以精确给出衰变母核和β电子之间的时间关系,而且还可以给出它们的位置关联信息.利用这种位置关联信息,可以使我们在连续束工作模式下对衰变出射β电子进行准确的归属判定,这样一方面大大减少了衰变谱的本底,确保了实验数据的精度,同时增加了束流的有效利用率.由于