探測短壽命核衰變的一個有效方法

1、第32卷第2期1998年3月原子能科學技術(shù)AtomicEnergyScienceandTechnology.32,No.2VolMar.1998探測短壽命核衰變的一個有效方法3馬瑞昌徐曉冀黃文學古中道董成富王薇胡志強羅亦孝(中國科學院近代物理研究所,蘭州,730000)描述了一種新的束流脈沖調(diào)制技術(shù),它可用于探測壽命短至微秒的奇異核衰變,的探測效率。報道了用此方法得到的69Kr。關(guān)鍵詞脈沖束流調(diào)制奇異核衰變中圖法分類號TN787)躍的前沿。,人們可以觀察到在穩(wěn)定線附近的核素中所觀察不到的核衰變現(xiàn)象,例如核的延遲粒子衰變、直接質(zhì)子衰變、重離子發(fā)射以及延遲裂變等。它們反映了原子核內(nèi)各種相互作用之間

2、的關(guān)系,從而可獲得與核結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息和核參數(shù),它是檢驗、修改和拓廣現(xiàn)有核結(jié)構(gòu)理論的重要的實驗根據(jù)。奇異核衰變的一個重要特點是半衰期短、生成截面小,并且粒子衰變(指質(zhì)子、氘核以及重離子發(fā)射等)分支比很低,所以實驗探測十分困難,研究工作越往質(zhì)子(或中子)滴線附近推進,難度越大。為此,發(fā)展短壽命低本底探測技術(shù)就變得十分必要。隨著目標核的壽命越來越短(<10ms)、截面更小(<10-34m2),氦噴嘴技術(shù)1受到了傳輸時間和效率的限制,特別是對于探測半衰期短于30ms、生成截面小于10-342粒子發(fā)射分支比很低的核衰變,有必要發(fā)展m、更為有效的探測技術(shù),而束流脈沖調(diào)制結(jié)合粒子鑒別的方法是一個

3、很好的選擇。利用脈沖調(diào)制方法,可以探測壽命短至微秒的核衰變,并且,它不受目標核的物理和化學性質(zhì)的限制,例如,它可無障礙地探測惰性氣體元素以及高溫難熔元素。另外,它還可以直接測定核的半衰期,而這些都是氦噴嘴技術(shù)無法或難以實現(xiàn)的。1工作原理束流脈沖調(diào)制靶室內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)示于圖1。工作原理如下:在靶室內(nèi)有一個連續(xù)運動的轉(zhuǎn)盤,在轉(zhuǎn)盤上分別設(shè)計了沿弧線的適當長和寬的寬縫和窄3國家自然科學基金和中國科學院資助課題馬瑞昌:男,58歲,無線電技術(shù)專業(yè),高級工程師收稿日期:1997202217收到修改稿日期:1997207229180原子能科學技術(shù)第32卷縫。轉(zhuǎn)盤在靶和粒子望遠鏡探測器之間轉(zhuǎn)動,窄縫兩邊面對面地放

4、置著光源和光電三極管。當窄縫運動到光電三極管前時,光通過窄縫照在光電三極管上,產(chǎn)生一個光電脈沖,此脈沖電壓經(jīng)放大后首先去閉鎖探測系統(tǒng),然后經(jīng)一定時間延遲去觸發(fā)加速器束流,開始對靶的照射;當窄縫離開光源時,以光電脈沖的截至信號去停止加速器束流,此截至信號也經(jīng)一定時間的延遲再去啟動探測系統(tǒng),開始對核反應(yīng)生成并被阻止在靶上的核進行探測,此時轉(zhuǎn)盤上的寬縫正好運動在靶與粒子望遠鏡之間,待寬縫離開此位置時,窄縫就又運動到光電三極管面前,觸發(fā)加速器束流,開始新一輪對靶的照射。如此周而復(fù)始,連續(xù)不斷,從而實現(xiàn)了束流的脈沖調(diào)制。其運動狀態(tài)的時間關(guān)系示于圖2。所用粒子望遠鏡由Er子,而與,使粒子譜本底十分干凈。-

5、20以下,大大降低了電子學噪聲,并增強了抗輻照能力。圖1束流脈沖調(diào)制裝置示意圖Fig.1Theschematiclayoutofpulsedbeammodulation2效率和計數(shù)率的估計在束流脈沖調(diào)制情況下,目標核生長、衰變規(guī)律示于圖3,T1為照射時間,T2為測量時間,為等待時間,R0為飽和活性,RT1為照射結(jié)束時瞬時活性,R1為開始測量時的瞬時活性,R2為測量期間的平均活性。211飽和活性對平均活性的修正RT1=R0(1-R1=RT1e-e-T1)T1=R0(1-e-T2)e-圖2束流脈沖調(diào)制運動狀態(tài)時間關(guān)系圖Fig.2Theoperationaltimerelationshipofpul

6、sedbeammodulation=R21-e-R0=R2(1-e-T1=1R2)(1-e-T2)e-1=-T1(1-e)(1-e-T2)e-如果T1=T23t1 ,那么310。2=201212對探測效率的修正(1)對探測立體角的修正假定傾斜放置的靶與束流所交角度=20°,并且束流截面的半徑r=2mm,則:第2期馬瑞昌等:探測短壽命核衰變的一個有效方法181R=r=515mm,ctgS橢圓=S圓,2=rRr,r=31317mm,探測器對面源所張的平均立體角為:=21-2(1+2)1 -227+(1+2)5假設(shè)探測器半徑R=8mm,放射源與探測器間平均距離d=12mm,則=r d=01

7、276,=R d=01667。如更精確計算,則使用橢圓積分得:圖3核的放射性生長衰變關(guān)系曲線Fig.3Thegrowthanddecaycurveoftheradioactivity8=0190因此,4=01071。2=8(2)對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動效應(yīng)的修正轉(zhuǎn)動效應(yīng)修正示于圖4。其中,3,3330165。因此,在T2R3232圖4轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)盤寬縫位置變化(a)和探測效率變化曲線(b)示意圖Fig.4Thepositionchangesforwideslitondisc(a)andthecurveofdetectionefficiencychanges(b)213對總實驗周期T1+T2+2的修正設(shè)4為測量時

8、間占整個周期的時間比例,則實驗周期中實際的計數(shù)率Rt為Rt=4R3若T1=T2=96ms,=4ms,則4=0148,所以T1+T2+2Rt=R01(Z為束流的電荷態(tài),I為平均束流強度,NINB用Alice程序計算的宏觀反應(yīng)截面A=182原子能科學技術(shù)第32卷為Ca靶的質(zhì)量厚度,B為質(zhì)子發(fā)射分支比),計數(shù)率為Rt=ABIN234 1。對于反應(yīng)32S+40Ca69Kr+3n,假設(shè)A=310×10-2安),Z=10,N=210mg cm,則計數(shù)率Rt=2818h-1。如果15(根據(jù)以往實驗工作的exp經(jīng)驗,A比exp大10至20倍1,exp為實驗截面),那么,實際計數(shù)率R2h-1。此估計值

9、與實驗結(jié)果相符。352m,B=60%,I=013eA(電荷微3結(jié)果和討論經(jīng)過對束流脈沖調(diào)制的技術(shù)改進,用此方法對極缺中子奇異核69Kr的衰變性質(zhì)進行了研究。理論預(yù)言,69Kr是一個延遲質(zhì)子衰變先驅(qū)核,屬于同位旋TZ=-3 2,質(zhì)量數(shù)A=4n+1(n為自然數(shù))系列。69KrM32S束流轟擊靶40Ca4032Ca(S,313mC,共得到4169Kr的計數(shù),這和上述的探測效率和計數(shù)率估計基本相符。實驗得到的延遲質(zhì)子衰變譜示于圖5,69Kr的衰變曲線示于圖6,提出的69Kr的部分衰變綱圖示于圖7。通過實驗,得到了69Kr的如下核參數(shù):延遲質(zhì)子能量Ep=(4107±0105)MeV,衰變半衰期

10、T1 2=(32±10)ms,質(zhì)子圖5在32S+40Ca反應(yīng)中探測到的延遲質(zhì)子衰變譜2delayedprotondecayFig.5Thespectrumofobtainedin32S+40Careaction圖中箭頭表示低能截止點圖669Kr的衰變曲線Fig.6Thedecaycurveof69圖7提出的69Kr的部分衰變綱圖KrFig.7Proposedpartialdecayschemeof69Kr第2期馬瑞昌等:探測短壽命核衰變的一個有效方法183362m。發(fā)射分支比B=83%,質(zhì)量剩余M=(-32115±0130)MeV,實驗截面exp=115×10-這

11、是首次在實驗上觀察到Kr的最缺中子同位素69Kr的延遲質(zhì)子衰變2,對于深入了解質(zhì)子滴線附近核的衰變性質(zhì)具有重要意義。為了發(fā)展這一束流脈沖調(diào)制技術(shù),今后的目標是如何在裝置中加進X、和探頭,以實現(xiàn)2精確測量核衰變綱圖及能級壽命等核參p2X2符合測量,它將有利于唯一指定新核素、數(shù),并成為核譜學研究的有力工具。參考文獻1徐曉冀,馬瑞昌,胡志強,等.探測短壽命奇異核衰變的有效方法.第七屆全國核電子學與核探測技術(shù)學術(shù)年會論文集.江西廬山.1994.北京:原子能出版社出版,1994.152.2XuXiaoji,HuangWenxue,MaRuichang,etal.2delayedProtonDecayofR553.69Kr.PhysRevC55,1997,ANEFFECTIVEMDECAYOFELIFEMaRuichangXuXiaojiHuangWenxueGuZhongdaoDongChengfuWangWeiHuZhiqiangLuoYixiao(InstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,730000)ABSTRACTAmethodofpulsedbeammodulationisdescribedwhichcanbeusedinde