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 当然我们在保持传统的高自旋态研究，继续支持国内其他单位核结构研究之外，也和国内的核天体，核反应研究组保持着合作关系，给他们提供支持和帮助，因为核谱学测量是一个基础的实验技术，除核结构外，核天体，核反应等研究也是需要核谱学技术的，而我们组这些年来一直在做核谱学测量工作，可以说是积累了丰富的核谱学测量经验，也为相关的核天体与核反应研究做提供了支持和帮助。 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

CIAE在束谱学装置与国外实验室同类装置成果比较 摘自清华大学朱胜江教授在2012核结构大会上的报告 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） 国家 探测器个数 美国 100HPGe 法国 +26Clover 德国 105HPGe 芬兰 43HPGe 印度 18Clover 日本 18HPGe 中国 14HPGe 成果统计出自：PRL，PRB，PRC，NPA，JPG，EPJA 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。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，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。 摘自清华大学朱胜江教授在2012核结构大会上的报告

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： 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

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 同时这两年来我们也在探索着新的技术和方法，以便在放射性物理等核物理的前沿领域开展工作，这就包括以下几个方面：

X-γ符合测量在垒下熔合障碍研究中的应用主要指对重离子熔合反应在库伦位垒附近 或库伦位垒以下的熔合截面进行测量。该方法有别于传统电磁分离方法，是垒下熔合 反应研究中另一种很好的测量手段。在09年NIM的这篇文章中，对该方法进行了很好的 归纳与阐述。其主要测量原理是利用两台探测器分别测量生成核电子俘获衰变过程中产 生的X射线与衰变子核退激过程中发射的γ射线。利用它们之间的符合关系，选择符合 事件，计算熔合截面。熔合截面计算方法如下。

目前，本工作组已经构建了X-γ符合测量系统，如左图。 并且于2011年8月与2012年1月分别进行了两次测试性实验，测量了16O+186W熔合反应 在库伦位垒附近的反应截面。测量结果验证了X-γ符合测量方法能够较好地降低实验本底及 污染峰的干扰，并且截面测量结果也与前人工作成果相符！这说明本工作组所建立的X-γ符合 测量系统是可靠的。我们将在今年下半年对16O+186W反应在库伦位垒以下的熔合截面进行测量。

利用Si(Li)探测器和微桔谱仪测量内转换电子 微桔谱仪结构示意图

PLUNGER装置+ LaBr3(Ce)探测器

在IMP 的RIBLL上开展核谱学研究工作计划 Building 2# RIBLL2 RIBLL1 RDT GAMMA SSC SFC CSRe 这个GAMMA球将用在我所多个终端，GAMMA、RIBLL1、RIBLL2，以及充气谱仪前端进行RDT实验研究 。 CSRm Page 11

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。 进一步拓展寿命测量的范围, 13

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

距离调节和反馈控制界面 靶膜距离实时监控界面 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

8、极限测试，高精度0.1->0.05um 超过精度要求反馈返回

78Kr 多普勒漂移效果 63Cu(19F,2n2p)78Kr 20μm 70μm 140μm 240μm 460μm 飞行 阻停 飞行

寿命测量分析初步结果 664KeV开窗 D(μm) Ius 455 Is 448 R(Ius/I) 寿命ps Intensity Error   664KeV开窗 D(μm) Ius 455 Is 448 R(Ius/I) 寿命ps Intensity Error 32.1 70 8+9 54 9 21 7 0.72 33.37011 140 68 0.492753623 30.97783 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

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 protons neutrons 82 50 28 20 8 2 126 Shell structure of atomic nuclei stable double-magic nuclei 4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 208Pb radioactive: 56Ni, 132Sn, magic ? 48Ni, 78Ni, 100Sn 不稳定核其中的一个研究热点是壳层结构的消失和反转岛附近的原子核集体行为研究，比如32Mg 的基态 [1] 显示出很强的集体行为，然而它的中子数为 N = 20 的幻数，这种奇异现象用已有的核物理知识难以得到解释。 40Ca 48Ca 70Ca ? no 28O ! 42Si 32Mg Euroschool Leuven – September 2009

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 反冲距离瞬时场（RDTF）

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 偶偶同位素 奇A同位素 N>20 S同位素 第一激发态能级能量随中子数演化 16 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

通过80-100 MeV/A 40Ar碎裂产生相关核

RDDS with fast radioactive beams

RDDS with fast radioactive beams E~100MeV/u V~0.3C

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！

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

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。

国内放射性束装置 Beijing BRIF, BRIF II , Low E HI, RIB Lanzhou, CSR Med E HI, RIB, 2008

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

EUROBALL EUROBALL

GAMMASPHERE

DALI2

新一代实验装置

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 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

应用LaBr3(Ce)对174Os核2+态寿命进行测量 结果已发表在Physical Review C 86, 057303(2012) HPGe detector g array detectors—11 HPGe+7 LaBr3(Ce) PMT,XP2020Q。 LaBr3(Ce)

X(5) criteria & candidates For X(5) nucleus: R4/2=2.910.10 Ref: R.F Casten, 1987 PRL 174Os

Energy resolution

Time resolution

152Eu Source Test Energy spectra of 133Ba and 152Eu

Off-line Test with 152Eu Deconvolution Fitting 1.39(3)ns T1/2=1.42(2)ns

In-Beam Experiment Partial level scheme of 174Os J. Gascon et al., Nuclear Physics 470 (1987) 230

Partial level scheme of 174Os 利用延迟符合技术得到了比前更加高的精度，肯定了国外专家提出的在174Os核的结构异常。通过理论计算及临近核系统学比较，建议其结构异常的原因是中子N=98的壳隙以及质子闯入轨道的共同作用造成的。 Partial level scheme of 174Os C.B. Li, X.G. Wu, et al. Phys. Rev. C 86，057303 (2012)

应用LaBr3(Ce)对178Pt核2+态寿命进行测量 28Si(154Gd,4n)178Pt PMT,XP2020。在相邻的同位素Pt中，178Pt的寿命还是未知的，为了系统学研究Pt随着中子数变化的趋势，我们选择测量其2+态寿命 178Pt

新一代LaBr3(Ce)探测阵列构想

新一代g探测阵列的应用前景 其他应用： 核物理基础研究： 核技术 远离稳定线的核结构研究（新的幻数？） 核数据测量 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 …… 其他应用： 核技术 核数据测量 高能物理 天体物理 核医学 ......

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

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 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   Huge collaboration Over 40 laboratories in 10 countries Others joining, Turkey, Hungary Turkey Hungary 49

中国伽玛探测阵列 (China National Gammy Array)

希望核物理同行们 多多关注和支持！

谢谢！