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一種衰老譜的新探測(cè)方法
1豐中子核uf062穩(wěn)定性研究放射性束物理是目前核物理研究的先進(jìn)領(lǐng)域。近年來(lái),隨著新型輻射核束裝置的成功運(yùn)行,輻射流強(qiáng)度和質(zhì)量的提高,放射性束研究的深度和廣度顯著提高,極大地改變了人們對(duì)原子能的傳統(tǒng)理解。對(duì)于遠(yuǎn)離uf062穩(wěn)定線的上、中、弱束縛核的uf062,由于實(shí)驗(yàn)困難,生存時(shí)間短,因此很難進(jìn)行更換。uf062穩(wěn)定線以外的uf062減小和衰減的q值通常很大。葉片變化的類型主要是uf062緩沖液和uf067。對(duì)于核結(jié)構(gòu)的重要信息,尤其是核層結(jié)構(gòu)、內(nèi)單顆粒軌道和集體運(yùn)動(dòng)的信息,這些顆粒在退激勵(lì)過程中發(fā)射。因此,對(duì)其研究可以極大地加深對(duì)uf062穩(wěn)定帶中、弱橫帶核特性的理解,尤其是在很大程度上驗(yàn)證現(xiàn)有核結(jié)構(gòu)理論,尤其是地殼模型理論的可靠性和適用性。實(shí)驗(yàn)上為了研究這些豐中子弱束縛核的uf062衰變通常使用Beamon和Beamoff的方法.即在一定的時(shí)間內(nèi)(Beamon),把放射性束流線產(chǎn)生的目標(biāo)核阻止在適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器中.當(dāng)目標(biāo)核累積到一定的數(shù)目時(shí),再把束流偏轉(zhuǎn)掉一定時(shí)間(Beamoff).這段時(shí)間內(nèi),當(dāng)目標(biāo)核在停阻探測(cè)器中發(fā)生uf062衰變時(shí),這個(gè)停阻探測(cè)器給出uf062粒子的信號(hào),同時(shí)利用不同的探測(cè)器分別測(cè)量衰變出射的uf067射線和中子或其他粒子.由于uf062衰變出射的電子能量譜是連續(xù)的,通常情況下,為了得到好的時(shí)間分辨和高的探測(cè)效率,uf062粒子探測(cè)器由一定厚度的塑料閃爍體探測(cè)器組成.基于此種考慮,我們實(shí)驗(yàn)組早前建立了一套用于豐中子核uf062衰變研究的探測(cè)系統(tǒng).利用這套設(shè)備,我們?cè)谥袊?guó)科學(xué)院近代物理研究所放射性束流線RIBLL1上成功開展了對(duì)豐中子核18,21N的uf062緩發(fā)中子發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究,取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.目前,隨著研究進(jìn)一步向遠(yuǎn)離uf062穩(wěn)定線方向發(fā)展,豐中子核uf062衰變實(shí)驗(yàn)研究出現(xiàn)了新的特點(diǎn).其中一個(gè)特點(diǎn)是隨著中子質(zhì)子比的增加,放射性核束裝置產(chǎn)生的豐中子目標(biāo)核的純度會(huì)逐漸降低,束流中其他不穩(wěn)定豐中子核的比率逐漸增加.例如我們?cè)谘芯?8N核衰變時(shí),束流中18N核的純度有95.0%,但是做21N核衰變實(shí)驗(yàn)時(shí),21N核的純度降到了只有74.5%.這樣在擬合衰變曲線時(shí),其他不穩(wěn)定核衰變的影響就不容忽視,對(duì)實(shí)驗(yàn)精度會(huì)造成一定影響.當(dāng)實(shí)驗(yàn)研究繼續(xù)向中子滴線方向擴(kuò)展時(shí),目標(biāo)核的純度會(huì)進(jìn)一步降低,甚至小于50%,這時(shí)必須考慮如何有效減少束流中其他不穩(wěn)定核的影響,以提高實(shí)驗(yàn)精度.同時(shí)由于放射性核束裝置產(chǎn)生遠(yuǎn)離穩(wěn)定線豐中子目標(biāo)核的束流強(qiáng)度大大降低,從1s上千個(gè)降到1s零點(diǎn)幾個(gè),甚至更小.這樣在實(shí)驗(yàn)周邊本底計(jì)數(shù)率變化不大的情況下,本底對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響會(huì)大大增加.為了得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,必須想辦法減小周邊本底計(jì)數(shù)的干擾.另一個(gè)特點(diǎn)是由于遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核的壽命比較短,繼續(xù)使用Beamon和Beamoff的方法開展衰變研究,往往目標(biāo)核還沒有積累到一定的數(shù)量,就已經(jīng)大部分衰變掉了,使束流的有效利用率較低,進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì).這些新特點(diǎn)說明當(dāng)uf062衰變實(shí)驗(yàn)研究向滴線方向擴(kuò)展時(shí),需要發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法.2高集成度前置放大器為了適應(yīng)遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核uf062衰變實(shí)驗(yàn)研究的新特點(diǎn),我們研制了一套新的粒子注入和uf062探測(cè)系統(tǒng)用于短壽命弱流強(qiáng)的豐中子核uf062衰變實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.其中雙面硅微條探測(cè)器(Double-SidedSiliconDetector,DSSD)用作粒子注入和uf062探測(cè)器,同時(shí)測(cè)量豐中子衰變母核及其衰變出射的uf062電子.實(shí)驗(yàn)中粒子注入和uf062探測(cè)器我們選用了MicronSemiconductorLtd.生產(chǎn)的1.5mm厚W1型雙面硅微條探測(cè)器W1型雙面硅微條探測(cè)器有效面積50mm×50mm,正反面各16條,每條條寬3mm.這樣,雙面硅微條探測(cè)器就相當(dāng)于有256個(gè)3mm×3mm的pixel.硅微條探測(cè)器前面的大面積硅探測(cè)器(Si1)用于入射核的鑒別,硅微條探測(cè)器后面的大面積硅探測(cè)器(Si2)用于把穿過硅微條探測(cè)器的輕核反符合掉.當(dāng)豐中子母核在硅微條探測(cè)器上被停阻下來(lái)時(shí)探測(cè)器給出一個(gè)時(shí)間信號(hào)和一個(gè)位置信息.當(dāng)母核發(fā)生衰變時(shí),探測(cè)器測(cè)量衰變出射的uf062電子,同時(shí)給出衰變開始的起始時(shí)間信號(hào)和uf062電子的位置信息.只有在母核pixel位置附近測(cè)到的uf062信號(hào)才被認(rèn)為與這個(gè)豐中子母核的衰變有關(guān),其他pixel位置測(cè)到的uf062信號(hào)被認(rèn)為是來(lái)自于周圍的本底.由于位置關(guān)聯(lián)條件的加入,使我們可以在連續(xù)束的模式下,對(duì)注入的不同種原子核衰變出射的uf062電子進(jìn)行準(zhǔn)確的歸屬判定,從而很好地扣除周邊本底和束流中其他不穩(wěn)定核衰變的干擾,減小了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差.由于雙面硅微條探測(cè)器不但要給出注入的衰變母核的能量、時(shí)間和位置信息,同時(shí)還需要提供母核衰變出射uf062電子的時(shí)間和位置信息,而衰變母核和電子在硅微條探測(cè)器中沉積的能量差別非常大,一般衰變母核在硅微條探測(cè)器中沉積的能量達(dá)到GeV量級(jí),uf062電子在其中沉積的能量往往只有keV量級(jí),為了使探測(cè)設(shè)備在這么大能量動(dòng)態(tài)范圍里都有好的能量分辨,同時(shí)信號(hào)不飽和,需要電子學(xué)的能量響應(yīng)范圍足夠?qū)?為了解決這一問題,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了德國(guó)MESYTEC公司生產(chǎn)的高集成度前置放大器MPR-16-LOG.MPR-16-LOG前置放大器的一個(gè)主要特點(diǎn)是它能根據(jù)能量信號(hào)大小的不同,使用不同的能量響應(yīng)模式.在低能區(qū),它是以線性模式工作的;而到了高能區(qū),它是以對(duì)數(shù)模式工作的.這種特性使它覆蓋的能量動(dòng)態(tài)范圍非常大,可以在0–3GeV的能區(qū)都有較好的響應(yīng).而且通過前置放大器控制面板的調(diào)節(jié),可以輕松地選擇前放線性模式工作的能量區(qū)間(0–2.5MeV或者0–10MeV).在我們的實(shí)驗(yàn)研究中,選取的線性模式工作能量區(qū)間是0–10MeV,即在0–10MeV區(qū)間,我們的前置放大器以線性模式工作;而在高于10MeV的能量區(qū)域,它以對(duì)數(shù)模式工作.3試驗(yàn)結(jié)果表明利用這套探測(cè)裝置,2011年4月我們?cè)谥袊?guó)科學(xué)院近代物理研究所RIBLL1上進(jìn)行了反轉(zhuǎn)島區(qū)豐中子核的β衰變實(shí)驗(yàn)研究.3.1器件的能量性能實(shí)驗(yàn)前,我們首先用uf061源241Am(5.486MeV)測(cè)試了這套探測(cè)裝置.雙面硅微條探測(cè)器其中正面一條硅微條測(cè)得的能譜如圖2所示,其能量分辨率(FullWidthofHalfMaximum,FWHM)為0.51%.由于我們的雙面硅微條探測(cè)器在低能區(qū)主要是測(cè)量uf062電子,為此,我們用放射源207Bi(放出的單能內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量分別為482,555,976和1049keV)對(duì)雙面硅微條探測(cè)器在低能區(qū)的性能進(jìn)行了測(cè)試.其正面一條硅微條測(cè)得的能譜如圖3所示,可以看到207Bi源的四個(gè)能量特征峰非常清楚.通過擬合,對(duì)于976keV的能量峰,其能量分辨率(FWHM)為2.16%圖4給出了DSSD每一條硅微條對(duì)976keV能量峰的能量分辨,能量分辨率都在2%–3%.我們對(duì)四個(gè)峰的能量和對(duì)應(yīng)峰道址進(jìn)行了擬合(見圖5),結(jié)果顯示在此能量范圍內(nèi)探測(cè)設(shè)備有很好的能量線性.3.2束流中33al核的變換在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所進(jìn)行的β衰變實(shí)驗(yàn)中,RIBLL1束流線產(chǎn)生的次級(jí)束33Al等豐中子核素(見圖6)經(jīng)過鋁降能器降低能量后,注入到1.5mm厚的雙面硅微條探測(cè)器中.利用這套探測(cè)裝置,我們測(cè)量了入射的衰變母核及其β衰變出射的電子.在束實(shí)驗(yàn)時(shí),不同種粒子在探測(cè)器中沉積能量的動(dòng)態(tài)范圍從keV到GeV.圖7給出了這套探測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)得到的能量響應(yīng)曲線,其中最低能的4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來(lái)自用207Bi源測(cè)試的結(jié)果,其他的實(shí)驗(yàn)值來(lái)自在束實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,其能量誤差主要來(lái)自于注入放射性核束的能量離散.從圖中可以看到探測(cè)裝置在低能區(qū)很好地以線性模式工作,在高能區(qū)以對(duì)數(shù)模式工作.這個(gè)能量響應(yīng)曲線與GSI的RISING用脈沖發(fā)生器測(cè)得的結(jié)果十分相似.圖8給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的33Al核的衰變譜.在束實(shí)驗(yàn)時(shí),束流中33Al核的純度為27.5%.圖8(a)是沒有利用DSSD測(cè)得的位置信息對(duì)33Al衰變母核和uf062電子進(jìn)行位置關(guān)聯(lián)得到的衰變譜.從圖中可以看到其本底很大,同時(shí)束流中其他不穩(wěn)定核的衰變對(duì)33Al核的衰變譜也有很大的影響.由圖8(a)很難通過擬合得到可靠的33Al半衰期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).圖8(b)是利用DSSD測(cè)得的位置信息對(duì)衰變母核和uf062電子進(jìn)行位置關(guān)聯(lián)得到的衰變譜,可以看到其本底顯著地降低了,由于uf062電子可以準(zhǔn)確地判斷其歸屬,這樣我們?cè)跀M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),就不用考慮束流中其他不穩(wěn)定核的衰變對(duì)33Al核衰變譜的影響,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性大大增加我們對(duì)33Al核的衰變譜擬合得到的33Al核半衰期T1/2=41.9(7)ms,這與文獻(xiàn)值41.7(2)ms符合得很好.如圖6所示,隨著研究向遠(yuǎn)離穩(wěn)定線方向發(fā)展,放射性束流中的核素種類比較多,在目標(biāo)核附近的不同核素往往有10多種.這些核素的衰變信息對(duì)我們系統(tǒng)了解這個(gè)質(zhì)量區(qū)原子核的衰變特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)非常有幫助.利用這套實(shí)驗(yàn)裝置,在連續(xù)束模式下,通過衰變母核和β電子的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系,我們可以準(zhǔn)確知道β電子來(lái)自于哪一個(gè)衰變母核,從而可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對(duì)入射的不同種核素進(jìn)行β衰變研究,這樣既避免了Beamon和Beamoff工作模式下停束時(shí)的束流損失,又能對(duì)束流中不同種類不穩(wěn)定核的β衰變開展系統(tǒng)研究,大大提高了束流的利用率.3.3uf062研究不論是在實(shí)驗(yàn)前幾個(gè)月的測(cè)試中,還是在一百多個(gè)小時(shí)的在束實(shí)驗(yàn)中,這套粒子注入和uf062探測(cè)裝置在沒有冷卻的工作環(huán)境下都沒有出現(xiàn)峰位移動(dòng)或者能量分辨變差的情況,也沒有出現(xiàn)溫度過熱的現(xiàn)象,說明其長(zhǎng)時(shí)間工作是穩(wěn)定的.4保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量為了在遠(yuǎn)離uf062穩(wěn)定線的核區(qū)開展uf062衰變實(shí)驗(yàn)研究我們研制了一套粒子注入和uf062探測(cè)裝置.這套探測(cè)裝置由于使用雙面硅微條探測(cè)器作為停阻探測(cè)器,同時(shí)測(cè)量入射的衰變母核及其衰變出射的uf062電子,不但可以精確給出衰變母核和β電子之間的時(shí)間關(guān)系,而且還可以給出它們的位置關(guān)聯(lián)信息.利用這種位置關(guān)聯(lián)信息,可以使我們?cè)谶B續(xù)束工作模式下對(duì)衰變出射β電子進(jìn)行準(zhǔn)確的歸屬判定,這樣一方面大大減少了衰變譜的本底,確保了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度,同時(shí)增加了束流的有效利用率.由于
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