核谱学实验技术的发展与展望
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核谱学实验技术的发展与展望. 吴晓光 中国原子能科学研究院. Contents. CIAE 在束伽玛谱学终端上的核谱学研究现状 新技术和研究方法探索 在 IMP 的 RIBLL 上开展核谱学研究工作计划 应用于放射性核束 物理研究 的新一代伽玛探测阵列. CIAE 在束伽玛实验终端上核谱学研究工作. 原子能院在束伽玛谱学实验终端是国内核结构研究的重要基地,同时也是交流合作的平台,国内多家高校和研究单位在此实验终端上开展原子核高自旋态研究等核结构实验工作,取得了丰富的研究成果, 同时 锻炼和培养了许多研究生和优秀的青年科技人才.

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核谱学实验技术的发展与展望

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Presentation Transcript


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核谱学实验技术的发展与展望

吴晓光

中国原子能科学研究院


Contents

Contents

  • CIAE在束伽玛谱学终端上的核谱学研究现状

  • 新技术和研究方法探索

  • 在IMP 的RIBLL上开展核谱学研究工作计划

  • 应用于放射性核束物理研究的新一代伽玛探测阵列


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CIAE在束伽玛实验终端上核谱学研究工作

原子能院在束伽玛谱学实验终端是国内核结构研究的重要基地,同时也是交流合作的平台,国内多家高校和研究单位在此实验终端上开展原子核高自旋态研究等核结构实验工作,取得了丰富的研究成果,同时锻炼和培养了许多研究生和优秀的青年科技人才

合作单位有原子能院,兰州近物所, 清华大学,吉林大学,北京大学,山东大学,北航等


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CIAE在束谱学装置与国外实验室同类装置成果比较

对于在束谱学研究来说,我院的探测装置与美国和欧洲等国外同类装置比落后了很多,甚至与日本,印度和南非等国相比也有不小的差距(见下表)。但多年来经过我院在束伽玛谱学组研究人员的不断努力,特别是最近两年来通过对实验装置与获取系统的重新设计和改进,在串列加速器工作人员配合提供良好的束流品质下,我们与合作单位共同努力取得了很多高水平的研究成果。据统计,最近两年(2010年2011年)国际上发表的关于在束谱学研究的SCI文章,出自我院在束谱学终端的文章数排在第二位(见下图),可以说我们串列加速器实验室的在束谱学终端与国外同类装置相比是投入产出比最高的实验终端。

各国实验室成果产出统计(2010-2011)

成果统计出自:PRL,PRB,PRC,NPA,JPG,EPJA

摘自清华大学朱胜江教授在2012核结构大会上的报告


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CIAE在束谱学组2012年成果

2012年在束流时间比往年减少80小时的不利情况下,克服困难取得如下成果:

1,应用LaBr3(Ce)对174Os核2+态寿命进行测量

国内首次应用LaBr3(Ce)探测器进行的在束谱学实验工作,结果已发表在Physical Review C 86, 057303(2012)

2,奇奇核126I反常旋称反转和巨顺排,已发表在PHYSICAL REVIEW C 86, 014320(1-13) (2012)

3,106Pd带结构研究,已发表在PHYSICAL REVIEW C 86, 047302 (2012)

4,114In核磁转动带研究,已发表在Nuclear Physics A 892(2012)34–42

5, X-γ符合测量在垒下熔合障碍研究,已完成2次实验工作,现数据正在分析中

6,86Sr,87Sr,74As,73As,130Cs, 106Ag,107Ag,91Nb,92Nb等核结构研究工作,已发表或正在分析中。

7,刚刚完成Plunger装置(国家基金仪器专项)的在束测试工作,测试指标已达到和超过计划书中的设计水平,为利用该装置进行寿命测量等一些有意义的研究工作做好了准备。其反馈控制和实时监控系统如下:

见上图:实验测量结果174Os核2+态寿命为508ps


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新技术和研究方法探索(应用于放射性物理等前沿领域研究)

  • 利用X-,-符合测量的方法对相关核反应截面进行测量

  • 利用Si(Li)探测器和微桔谱仪测量内转换电子

  • 利用LaBr3探测器和延迟符合技术测量核态能级寿命

  • 利用Plunger装置对丰中子核激发态寿命和g因子进行测量


Si li

利用Si(Li)探测器和微桔谱仪测量内转换电子

微桔谱仪结构示意图


Plunger labr 3 ce

PLUNGER装置+ LaBr3(Ce)探测器


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在IMP 的RIBLL上开展核谱学研究工作计划

Building 2#

RIBLL2

SSC

GAMMA

RDT

SFC

CSRe

CSRm

RIBLL1

Page 11


Plunger rdm ps

Plunger装置测试实验简介(利用反冲距离多普勒线移法(RDM)测量ps级能级寿命)


Plunger

plunger装置的研制简介

Plunger简介:研制一台用于原子核高自旋态寿命

和g-因子测量的实验装置

1,该装置的基本结构:包括精密移动平台、靶膜展平装置、靶膜和阻停片之间平行度调节装置、靶膜和阻停片之间高精度微小距离移动系统、距离测量及自动反馈系统,还有远程控制系统以及相应的真空靶室。

2,技术要求:通过精密移动装置调节靶膜-阻停片之间的距离,其距离测量的精度应在0.1um以内,其可移动的距离范围在1μm~10mm之间,并且重复定位精度也要达到0.1um。

3,应用前景:装置建成后将使我们测量能级寿命的时间范围得到扩展,从而可以获得更丰富的核结构信息,并且有助于短寿命态的g-因子测量,为高自旋态研究开创一片新天地。还可使其能够应用到当前我国新建设的大科学装置上做一些很有创新性的实验工作,开展一些诸如丰中子核结构研究等国际上前沿课题的研究。


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Plunger测试实验:

中国原子能科学研究院HI-13串列加速器:

反应:63Cu(19F, 2p2n)78Kr

E beam=77MeV , 实验靶 63Cu: 1.7mg/cm2 ,阻停靶 197Au: 14.5mg/cm2

1、装入Plunger装置

4、实验测到的飞行峰与阻停峰随距离改变的多普勒效应。

2、真空靶室内的Plunger装置

3、距离调节和反馈控制界面


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靶膜距离实时监控界面

距离调节和反馈控制界面

靶膜和阻止膜之间距离调节到:

0.1um ,0.2um ,1um ,2um, 4um,6um, 10um, 15um,20um,70um ,140um ,240um, 460um


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8、极限测试,高精度0.1->0.05um

超过精度要求反馈返回


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飞行

阻停

飞行

阻停

多普勒漂移效果

63Cu(19F,2n2p)78Kr

20μm

70μm

140μm

240μm

78Kr

460μm


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寿命测量分析初步结果

如上表所示,如果以统计最好的70um和140um距离得到数据来分析,求得78Kr核2+态寿命测量的初步结果是32.1ps,和前人已测量过的寿命值32(1.4)ps很接近,可以说验证了我们这套装置的可靠性


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小结

  • 我们研制了一台用于原子核高自旋态寿命和g-因子测量的实验装置,该装置包括精密移动平台、靶膜展平装置、靶膜和阻停片之间平行度调节装置、靶膜和阻停片之间高精度微小距离移动系统、距离测量及自动反馈系统,还有远程控制系统以及相应的真空靶室。

  • 该装置通过精密移动装置调节靶膜-阻停片之间的距离,其距离测量的精度在0.1um以内,其可移动的距离范围在0.1μm~10mm之间,并且重复定位精度达到0.1um。该装置通过了一系列的检测和测试,可以说达到和超过了原设计要求。

  • 刚刚利用该装置完成了78Kr核2+态寿命的在束实验测试,该装置工作正常,测量得到的原子核态寿命与前人已测得的值很接近,检验了该装置的可靠性。

  • 装置建成后将使我们测量能级寿命的时间范围得到扩展,从而可以获得更丰富的核结构信息,为我国核结构研究开创一片新天地。还可使其能够应用到当前我国新建设的大科学装置(如兰州近物所的放射性束流线)上,开展一些诸如丰中子核结构研究等国际上前沿课题的研究。


Shell structure of atomic nuclei

Coulomb excitation with radioactive ion beams

126

stable double-magic nuclei

4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 208Pb

82

radioactive: 56Ni, 132Sn,

magic ? 48Ni, 78Ni, 100Sn

50

protons

28

82

20

70Ca ?

50

8

48Ca

28

neutrons

no 28O !

2

20

40Ca

8

2

42Si

32Mg

Shell structure of atomic nuclei

Euroschool Leuven – September 2009


Plunger g

计划利用我组已经研制成功的Plunger装置,对反转岛附近原子核第一激发态寿命和g因子进行测量


37 39 s

偶偶同位素

奇A同位素

16

37,39S中能库仑激发(近物所柳敏良建议)

  • 丰中子奇A核B(E2)数据匮乏,测量37,39S基态1f7/2第一激发态2p3/2 激发截面,提取约化跃迁几率及形变参数,判断37,39S是否形变、 探索S同位素形变机制

N>20 S同位素 第一激发态能级能量随中子数演化

Phys.Rev. Lett 77, 3967 (1996)

Phys.Rev.Lett. 77, 3967 (1996)

Phys.Rev.Lett. 96, 112503 (2006)

1.943 MeV

Nature 435, 922(2005)

Nature, (2009)

Phys. Rev. C 59,642 (1999)

N>20 S奇A同位素基态到第一激发态跃迁1f7/22p3/2

壳隙仅0.6 MeV?

Phys.Lett. B 659, 101 (2008)

S同位素 B(E2) 随中子数演化


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通过80-100 MeV/A

40Ar碎裂产生相关核


Rdds with fast radioactive beams

RDDS with fast radioactive beams


Rdds with fast radioactive beams1

RDDS with fast radioactive beams

E~100MeV/u

V~0.3C


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小结

  • 利用PLUNGER装置,可在兰州RIBLL上使用RDM方法,对反转岛附近原子核第一激发态寿命进行测量,同时也可展开g因子测量工作(利用PLUNGER装置可而减小g因子测量系统的不确定性),进而对反转岛附近原子核结构的性质进行深入研究。

  • 现我们的PLUNGER装置测量精度达到1um,可利用该装置测量fs能级寿命.如以1/3光速运动,可测寿命下限为10fs,基本可以覆盖所有原子核!


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应用于放射性核束实验的新一代伽玛探测阵列的研制

  • 研制背景

  • 国内外研究现状

  • LaBr3(Ce)探测器的在束γ谱学实验成果简介

  • 新一代伽玛探测阵列设想及其应用前景


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研制背景(大科学装置上的核谱学研究)

  • 放射性核束物理是近20 年发展起来的核物理新领域,它研究的对象是在新型大科学装置上已经或即将产生的数千个非稳定(unstable)的核素。放射性核物理研究是对广阔的核科学未知领域的探索,正在极大地改变人们对原子核的传统认识。

  • 我国在中科院近代物理所新近建成的冷却储存环大科学装置(CSR)以及在中国原子能科学研究院正在建设的北京放射性束装置(BRIF),提供了未来继续大力开展放射性核束物理研究的国内基础。

  • 利用先进放射性核束装置,产生远离稳定线的目标核,并对其进行在束谱学测量将能开展许多非常有意义的研究工作。由于放射性核束本身强度较弱,且感兴趣核素的生成截面较小,在这种情况下我们需要高效率且分辨好的探测阵列来探测目标核所发射的γ射线,基于此我们提出研制新一代γ探测器阵列的建议。


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国内放射性束装置

BeijingBRIF, BRIF II ,

Low E HI, RIB

Lanzhou, CSRMed E HI, RIB, 2008


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国外在束谱学探测装置现状与发展

现有装置:

日本:DALI2

欧洲:GASP,EUROBALL

美国:GAMMASPHERE

未来新发展:

欧洲:AGATA

美国:GRETA

日本:SHOGUN


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EUROBALL

EUROBALL


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GAMMASPHERE


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DALI2


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新一代实验装置


Labr3 ce

LaBr3(Ce)性能指标

LaBr3(Ce)闪烁体与分割式的高纯锗分辨比较。

  • LaBr3(Ce)闪烁晶体具有光产额高、能量分辨率好、衰减时间短、非线性响应小等优点,可广泛应用于核物理研究,以及国际防恐反恐、核材料控制、安全检查、能源、核医学、工业计量、石油测井等多个领域。   主要性能指标

  • 能量分辨率:相对于662keV γ射线的分辨率可以达到3%

  • 时间分辨率:能达到0.3ns

  • 探测效率:1MeV能达到30%

由LaBr3(Ce)探测器组成的探测阵列SHOGUN与由NaI(Tl)探测器组成的探测阵列性能比较


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  • g array detectors—11 HPGe+7 LaBr3(Ce)

应用LaBr3(Ce)对174Os核2+态寿命进行测量

国内首次应用LaBr3(Ce)探测器进行的在束谱学实验工作,

结果已发表在Physical Review C 86, 057303(2012)

HPGe detector

LaBr3(Ce)


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174Os

For X(5) nucleus: R4/2=2.910.10

Ref: R.F Casten, 1987 PRL

  • X(5) criteria & candidates


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Energy resolution


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Time resolution


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152Eu Source Test

Energy spectra of 133Ba and 152Eu


Off line test with 152 eu

Off-line Test with 152Eu

Deconvolution Fitting

1.39(3)ns

T1/2=1.42(2)ns


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In-Beam Experiment

Partial level scheme of 174Os

J. Gascon et al., Nuclear Physics 470 (1987) 230


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Partial level scheme of 174Os

C.B. Li, X.G. Wu, et al. Phys. Rev. C 86,057303 (2012)


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应用LaBr3(Ce)对178Pt核2+态寿命进行测量

28Si(154Gd,4n)178Pt

178Pt


Labr3 ce1

新一代LaBr3(Ce)探测阵列构想


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新一代g探测阵列的应用前景

  • 其他应用:

  • 核技术

  • 核数据测量

  • 高能物理

  • 天体物理

  • 核医学

  • ......

  • 核物理基础研究:

  • 远离稳定线的核结构研究(新的幻数?)

  • N=Z, 滴线核

  • 原子核的奇异形变

  • 丰中子、丰质子核衰变

  • 双质子发射

  • ……


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核谱学联合探测装置设想

中子墙

LaBr3(Ce)探测阵列

焦平面探测器

衰变测量

1/4伽玛球

反冲质谱仪

高纯锗探测器阵列

4Si球


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主探测器阵列+辅助探测技术

主探测器阵列:

g阵列—+分割 Clover探测器

+常规型高纯锗探测器

+ LaBr3(Ce)探测阵列

+1/4伽玛球

4Si球

中子墙

反冲质谱仪

辅助探测技术:

1) 内转换电子测量(微桔谱仪)

2) 裂变碎片探测器

3) Plunger装置:寿命测量

4) 高能g探测器:GDR…

5)衰变测量: Moving tape

6)多重过滤(inner ball)


The agata collaboration

The AGATA Collaboration

Bulgaria: Univ. Sofia

Denmark:NBI Copenhagen

Finland: Univ. Jyvaskyla

France: GANIL Caen, IPN Lyon, CSNSM Orsay, IPN Orsay,

CEA-DSM-DAPNIA Saclay, IreS Strasbourg

Germany: HMI Berlin, Univ. Bonn, GSI Darmstadt, TU Darmstadt, FZ Jülich,

Univ. zu Köln, LMU München, TU München

Italy: INFN and Univ. Firenze, INFN and Univ. Genova, INFN Legnaro, INFN and Univ. Napoli,

INFN and Univ. Padova, INFN and Univ. Milano, INFN Perugia and Univ. Camerino

Poland: NINP and IFJ Krakow, SINS Swierk, HIL & IEP Warsaw

Romania: NIPNE & PU Bucharest

Sweden: Chalmers Univ. of Technology Göteborg, Lund Univ.,

Royal Institute of Technology Stockholm, Uppsala Univ.

UK: Univ. Brighton, CLRC Daresbury, Univ. Keele, Univ. Liverpool, Univ. Manchester,

Univ. Paisley, Univ. Surrey, Univ. York

Turkey

Hungary


China national gammy array

中国伽玛探测阵列(China National Gammy Array)


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希望核物理同行们

多多关注和支持!


4767770

谢谢!


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