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核天体物理实验中的原位正电子湮灭测量方法

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在核天体物理关心的热核反应中,有一些反应可以产生短寿命的正电子放射性产物,这些反应产物发射的正电子会在靶中与电子发生湮灭,继而产生一对能量为511 keV的γ射线,通过测量这一对γ射线来得到反应产额,从而计算出核反应截面以及天体物理S因子.近期有研究提出了在实验终端上原位测量正电子湮灭的方法,该方法主要借助511 keV γ射线对的方向相反特性,利用探测阵列的对向单元进行空间符合测量来压制本底干扰.本工作基于近期自主研发的大型模块化BGO阵列LAMBDA-Ⅱ对这一方法进行了研究.结果显示,LAMBDA-Ⅱ对反应产物原位β+衰变探测效率为(7.6±0.2)%,和蒙特卡罗模拟结果一致.通过原位测量得到14N(p,γ)15O反应259keV共振产额符合瞬发γ射线测量结果,验证了该方法的可靠性,为将来进一步将该方法应用到核天体物理研究中奠定了良好的基础.
In situ Measurement Method of Positron Annihilation in Nuclear Astro-physical Experiments
In thermonuclear reactions of nuclear astrophysical interest,some can produce short-lived products that emit positrons.These positrons will annihilate with electrons in the target and then produce a pair of 511 keV γ-rays,which can be used to determine the reaction yield and calculate the cross-section as well as the astrophysical S-factor.Recently,an in situ measurement method for positron annihilation on experimental terminals has been proposed.This method takes advantage of the characteristic opposite direction of the 511 keV γ-ray pairs and uses the opposite units in the detection array for spatial co-incidence measurements to suppress background.In this study,we investigated this method using the newly developed large modular BGO detector array LAMBDA-Ⅱ.The results show that the detection efficiency of LAMBDA-Ⅱ for in situ β+decay of reaction products is(7.6±0.2)%,which is in good agreement with the value given by Monte Carlo simulations.The yield of the 14N(p,γ)15O 259 keV resonance determined by in situ measurement agrees well with that derived from prompt γ-ray meas-urement,verifying the reliability of this method and providing a solid foundation for its further application in nuclear astro-physics research.

nuclear astrophysicspositron annihilationin situ measurementnatural background

林棽、宋路洋、苏俊、陈鑫、谌枳霖、张昊、盛耀德、张立勇、何建军、陈思泽、谌阳平、金仕纶、卢飞、肖丹、章勇、南巍、蒋宇辰、张玉强、张扬、田竣文、江信之、陈银吉、王琳、覃之巍、刘峰成

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北京师范大学核科学与技术学院,北京 100875

中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所,合肥 230031

中国原子能科学研究院,北京 102413

中国科学院近代物理研究所,兰州 730000

中国科学院上海高等研究院,上海 201210

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核天体物理 正电子湮灭 原位测量 天然本底

国家重点研发计划项目国家自然科学基金资助项目

2022YFA160330112275026

2024

原子核物理评论
中国科学院近代物理研究所,中国核物理学会

原子核物理评论

CSTPCD北大核心
影响因子:0.181
ISSN:1007-4627
年,卷(期):2024.41(1)