全伽玛径迹追踪和瞬发伽玛射线多举测量新技术研究

The property of the extreme isospin nuclei far away from the line of beta stability is a latest topic in the field of nuclear physics at present. Due to the characteristics of radioactive ion beam, such as low intensity of the beam, high velocity of the fragment production, and so on, it is necessary to detect exclusively all particles from the reaction for the prompt gamma ray spectroscopy measurement. In order to carry out high level nuclear physics research，high performance gamma detector with energy tracking, high efficiency, high resolution, and powerful particle detector with particle identification, have to be used. Technologies of segmentation detector and phoswich detector have been developed recently and are very suitable for the application in nuclear experiment using radioactive ion beam. According to the NFSC joint fund for nuclear technology innovation under the guide item 5 “technology of prompt gamma-ray measurement for medium mass neutron rich nucleus”, this project plans to carry out the studies on the reconstruction algorithm of gamma-ray energy tracking for segmented Clover detector, the development of segmented scintillation detector for alternative gamma-ray energy tracking, the development of phoswich detector for particle identification and position sensitive detector, and for high energy gamma-ray measurement. These novel techniques would lead to a significant boost to the frontiers of exotic-nuclei research, especially to the prompt gamma measurement of extreme neutron rich nuclei, for the new generation of radioactive ion beam facility in China.

研究远离稳定线极端同位旋原子核的性质是目前国际上核物理领域的前沿热点方向。由于放射性离子束的特点，在开展远离稳定线原子核的瞬发伽马谱学测量中，需要同时探测入射的放射性离子束、出射粒子、反应产物及其瞬发伽玛射线，进行全产物多举测量,对探测器提出了新的要求。具备径迹跟踪、高效率、高分辨的瞬发伽玛探测器及较强粒子鉴别能力的粒子探测器，是开展高水平核物理研究必不可少的实验条件。本项目针对“核技术创新联合基金”项目指南“5.中等质量丰中子核瞬发伽玛测量技术”，计划开展分割式Clover探测器伽玛径迹追踪重构算法研究、光分割式闪烁探测器研制，实现对伽玛射线的径迹追踪及能量重构；通过位置灵敏叠层探测器、反符合叠层探测器研制,实现叠层探测器在粒子种类鉴别、粒子位置分辨以及高能伽玛射线测量中的应用。为我国新一代核科学装置上开展丰中子核瞬发伽玛射线测量，提供新的研究方法与测量技术。

由于放射性离子束的特点，在开展远离稳定线原子核的瞬发伽马谱学测量中，需要同时探测入射粒子、出射粒子、反应产物及其瞬发伽玛射线，进行全产物多举测量。为此，本项目开展了瞬发伽玛射线的多举测量新方法、新技术研究，包括：基于波形数字化技术的多举测量数据获取技术、分割式Clover探测器伽马射线径迹追踪分析方法、光分割式闪烁探测器研制、紧凑式反符合叠层闪烁探测器研制、粒子鉴别叠层闪烁探测器研制等研究。重要成果如下：.1）基于CompactPCI/PXI标准，选用XIA公司的PXI波形数字化仪、机箱和控制器等搭建了新的多举测量数据获取系统，基于CERN ROOT框架开发了相应的波形数字化在线数据获取与离线分析软件。.2）通过理论模拟和实验测量4x4分割式Clover探测器的脉冲波形，掌握了分割式Clover探测器脉冲形状分析、踪迹运算和数字信号处理电子学等关键技术与方法；.3）采用SiPM阵列耦合闪烁晶体，研制出了两套不同耦合模式的光分割式闪烁探测器，并通过SiPM阵列各单元输出信号的增益匹配、荧光光子数分布与发光位置的响应等研究，获得了光分割式闪烁探测器的伽马径迹重构方法，位置分辨可达1mm，初步构成一套康普顿相机原型机；.4）通过对闪烁晶体发光机制研究、信号波形模拟，掌握了叠层闪烁探测器设计技术，研制出LaBr3(Ce)+NaI(Tl)、GAGG(Ce)+CsI(Tl)、LaBr3(Ce)+CsI(Tl)等三套紧凑式叠层反康伽玛探测器，反康抑制系数可达为2.33(1)；.5）利用CsI晶体快、慢成份之比随着平均电离密度而变化的特点，以及叠层闪烁体不同晶体性能的差异，通过快、慢积分的方法，研制出两套粒子鉴别叠层闪烁探测器，实现了对γ、β、p、d、t、α等粒子的鉴别,掌握了叠层闪烁探测器粒子鉴别技术。.项目执行期间共合作发表SCI论文29篇，申请专利3项。.上述研究成果一方面填补了我国在相关技术上的空白，提升了我国在核探测技术上的自主创新能力，同时也为我国放射性核束装置上开展高水平科学研究提供了技术储备，也为进一步开展医学成像、国土安全与环境监测等领域新技术研究研究打下了良好基础。