报告人：张伟杰 指导老师：王友宝 研究员 白希祥 单位：中国原子能科学研究院 2012年4月13日 皮秒量级核能级寿命测量 报告人：张伟杰 指导老师：王友宝 研究员 白希祥 单位：中国原子能科学研究院 2012年4月13日

核能级寿命测量的意义——检验核结构理论 能级平均寿命 与跃迁概率 有如下关系： 核的激发态可通过γ衰变退激至较低激发态或者基态。理论上，核的不同激发态发生γ衰变概率 λ 可用约化矩阵元描述，与跃迁始末的波函数有关。波函数可由特定的核结构模型得出。因此，将由实验测得的核能级寿命与理论计算结果比较，可以验证核结构模型的正确与否。 能级平均寿命 与跃迁概率 有如下关系： 60Co和60Ni的同核异能态

由量子电动力学可以得出γ跃迁概率的表达式： 电多极辐射的跃迁概率： 磁多极辐射的跃迁概率： B(EL)和B(ML)分别为电多极跃迁和磁多极跃迁的约化概率，与跃迁前后的波函数有关，理论上可以通过一定的核结构模型把它计算出来。通过实验数据与理论计算结果作对比，即可验证核结构模型的正确性。

布居激发态核的方法——β-衰变 低自旋母核的β衰变可 以衰变致子核的多个激 发态，并分别以放射单 个或少数个γ光子的方 式退激至基态 高自旋母核的β衰变， 子核通常伴随多个级联 γ退激至基态

布居激发态核的方法——β-衰变 局限性：Qβ值限制了布居激发态的能量上限，也不能布居至很高自旋的态 容许跃迁 ΔI = 0，±1 Δπ = +1

发生 β- 衰变的核素——远离 β 稳定线的丰中子核

β衰变反应能 理论上，Qβ值更高的β- 衰变可布居到子核更高、更多的激发态，从而为检验核结构提供更多信息。

在线同位素分离器（Isotope Separator On Line） ——产生远离β稳定线丰中子核素的装置 主要类型：一类建造在高通量的反应堆上，通常利用热中子打235U产生丰中子核，如美国BNL的TRISTAN等；另一类建造在不同加速器上，通常以熔合蒸发或诱发裂变等反应机制产生不稳定核，如德国GSI UNILAC上的ISOL等。 大致原理：选择适当的反应产生感兴趣的不稳定核；反应产物经慢化后注入离子源电离，继而用适当的电场引出并加速到几十keV的能量，通过磁场分离成质量分离束。在线意味着整个过程以一种连续的方式进行，因此可以产生亚秒级的短寿命核束。

短寿命能级寿命主要测量方法 延迟符合法

延迟符合法——基本原理 延迟符合法的基本原理： 两个探测器发出信号被CFD拾取并产生定时脉冲信号，对其中一路进行延迟，两个定时脉冲信号到达TAC的时间差被转换成脉冲高度，然后用获取系统进行记录并得出时间谱。

β-γ-γ符合 一个β探测器（塑料闪烁体）和一个γ探测器（ BaF2闪烁体）进行β-γ延时符合测量能级寿命 用一个高纯Ge探测器测量γ能量并与β探测器进行符合，目的是利用其超高的能量分辨率能力来挑选感兴趣的反应道。

符合测量装置的时间分辨本领 指探测器和符合电路组成的符合装置对短时间间隔事件的分辨能力，即可分辨的两件事的最小时间间隔。 理论上用探测器时间离散的均方根值σ来表征； 实验上，用最佳瞬时符合曲线来标定，常用两个量： 曲线半高全宽（FWHM）； 曲线在半对数坐标上两侧的斜率s1/2，称仪器半寿命。 FWHM 与σ的关系 瞬时符合曲线：同时发生事件在符合系统中形成的时间谱 符合装置的时间分辨与探测器的时间分辨有如下关系：

影响符合测量系统时间分辨的因素 探测器的时间分辨 闪烁体 光电倍增管 时间信号拾取方式 恒比定时法（CFD） 探测器和电子学的噪声

影响闪烁体探测器时间分辨的主要因素： 1. 闪烁体时间特性：发光上升时间、衰减时间，闪烁光子从发光地点到光阴极的时间等（受闪烁体材料、几何形状等因素影响）； 2. 光电倍增管的脉冲上升时间、脉冲时间响应宽度、渡越时间及其分散； 3. 光电倍增管分压电路（每一款光电倍增管都有厂家推荐的针对增益、线性和时间性能的三种分压电路）、信号输出方式（阳极输出、打拿极输出）

闪烁体材料的选择

影响时间分辨的因素——闪烁体 反射材料 闪烁体性质 闪烁体形状 （越小越好） “the standard deviation in the timing distribution of the photons emitted by scintillation is proportional to the ratio of the scintillation decay time to the light yield” 闪烁体形状 truncated cone（截锥体）可以提高闪烁光子进入光阴极的效率，降低光子进入光阴极时间离散 反射材料 降低闪烁光子逃离闪烁体几率，提高进入光阴极效率 （越小越好）

β探测器——塑料闪烁体 上升时间：BC-422最短； 衰减时间/光产额：BC-418最小； 形状尺寸：半径1.3cm，厚度0.3cm（为了使不同能量的β在闪烁体内消耗能量大致相同） 包装材料：铝箔

γ时间探测器——LaBr3，BaF2

BaF2： 优点：发光衰减时间短，目前最快 的无机闪烁体； 缺点：发光效率低，能量分辨一般 形状：截锥体（如图） 包装： 三层0.1mm厚的teflon， 外包装一层铝箔

BaF2晶体

140Ba and 140La decay LaBr3(Ce)： 优点：时间分辨与BaF2相当，且具有极佳的能量分辨。 缺点：易潮解；价格贵

影响LaBr3(Ce)时间分辨的因素： 体积：越小越好（右图）； Ce含量：越多越好（下图）

影响LaBr3(Ce)能量分辨的因素： 体积：基本上没有影响（右图） （由于晶体供应商、采用倍增管、包装、电子学等等因素有所不同，所以不同的实验之间数据没有可比性）

光电倍增管的选用

塑料闪烁体——philips XP2020

BaF2闪烁体——philips XP2020Q

提高光电倍增管时间分辨的方法——打拿极输出

XP20Y0/DA 、XP20Y0Q/DA等，利用在阳极处添加栅网降低信号离散提高时间分辨。 其他光电倍增管 XP20Y0/DA 、XP20Y0Q/DA等，利用在阳极处添加栅网降低信号离散提高时间分辨。 一般快倍增管，阳极为网状，离最后一级打拿极很近，以加强最后一级打拿极与阳极之间的电场，抵消空间电荷效应，提高线性和时间分辨。但倒数第二级打拿极发射的次级电子有可能直接到达阳极输出，增加信号离散降低时间分辨。 改良型的快倍增管，在阳极与倒数第二级打拿极之间放置一个栅网，保证阳极收集到的电子全是由最后一级打拿极发出，降低信号离散，提高时间分辨。

其他光电倍增管

延迟符合测量数据的分析 利用瞬发符合事件，可以测得瞬时符合曲线P(td)； 实验测得的延迟符合曲线N(td)； 把瞬时符合曲线和延迟符合曲线归一化

斜率法 若短时间事件按时间间隔分布是统计性的，设时间间隔为t时发生概率为ω(t)，则延迟符合曲线可以写成： 以级联衰变为例，衰变概率ω(t)： 可得： 取对数后再求微商得 斜率法测量范围：寿命不能小于s1/2的130%；数百皮秒 在斜率法能测量的范围内，斜率法的精确度比矩心位移法高 在 的部分，在半对数坐标上直线 lnN(td) 的斜率即为能级平均寿命 τ 的倒数

矩心位移法 设N(td)的r级曲线矩Mr(N) 同理， 可以证明： 若短时间事件为级联衰变，则衰变概率ω(t) 如斜率法中所介绍 则可得： 两曲线的矩心间距为2τe 2τe 矩心位移法测量范围： 可以测得最短寿命大约为s1/2的5%；几个皮秒

工作展望 组装探测器，测试性能 做实验 写论文，毕业

谢谢湖州！