214Po半衰期的测量，包括长期研究以探讨潜在的季节性影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Measurement of the half-life of 214Po, including long-term studies to investigate potential seasonal effects

长期系统研究钋-214（21?Po）半衰期，使用CeBr?闪烁体和22?Ra涂层PIPS探测器，通过延迟符合计数法在625天内完成400小时连续测量，发现半衰期无显著季节性变化，确定为163.83(16) μs，验证了设备长期稳定性。

　　

马塞尔·P·塔卡奇（Marcell P. Takács）| 卡尔斯滕·科瑟特（Karsten Kossert）

德国布伦瑞克物理技术联邦研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt），联邦大道100号（Bundesallee 100），38116

摘要

为了研究²¹⁴Po半衰期的潜在年度变化，我们进行了一项为期625天的系统化、长期研究。实验采用了CeBr₃闪烁体和经过改制的PIPSS探测器（表面涂有薄层²²⁶Ra）进行延迟符合测量。数据由基于数字转换器的数据采集系统在400小时的连续运行中收集，并通过定制的计算机代码进行离线分析。在测量不确定性范围内，未观察到半衰期的季节性变化；同时也没有发现其与环境参数或环境μ子剂量率的相关性。根据收集的数据，²¹⁴Po的半衰期被确定为163.83(16) μs。

引言

钋-214是一种短寿命的α发射体，属于铀-镭衰变系列，其推荐半衰期为162.3(12) μs（Bé等人，2008年）。由于时间尺度较短，无法将²¹⁴Po与衰变链中的其他元素化学分离，这使得半衰期的测量更具挑战性。最近，Alexeev等人（2017年）报告了²¹⁴Po的新半衰期测定结果，其相对不确定性低至0.02%。在后续研究中，同一团队观察到测量半衰期存在0.05%的年度变化（Alexeev等人，2020年）。这一发现有些出乎意料，因为放射性核素的半衰期通常被认为是自然常数。遗憾的是，由于文献中缺乏独立的长期测量数据，²¹⁴Po半衰期的波动性尚未得到证实或反驳。

鉴于这一现状的不足，我们物理技术联邦研究所（PTB）的研究小组于2022年12月开始定期测量²¹⁴Po的半衰期。本文报告了2024年9月结束的首次测量活动的结果。半衰期的测定采用了包含²²⁶Ra源的专用实验装置进行延迟符合计数。在近两年的时间里，我们反复进行了测量以探究可能的季节性变化。

实验部分

实验装置

实验装置由一个直径为38.1毫米×38.1毫米的CeBr₃无机闪烁体和集成氡源探测器（IRSD）组成。IRSD概念最初是在EMPIR项目traceRadon（19ENV01）框架下开发的一种新型氡源探测器。该探测器采用部分耗尽的Si PIPS探测器，有效面积为450平方毫米，其入口窗口涂有薄层²²⁶RaCl₂盐，活度约为2

分析方法

²¹⁴Po的半衰期是通过延迟符合方法确定的，该方法涉及测量²²⁶Ra衰变链中单个²¹⁴Po核的寿命分布。²¹⁴Bi衰变产生的609 keV伽马射线被CeBr₃闪烁体捕获，其探测时间被视为²¹⁴Po核的形成时间；随后²¹⁴Po的衰变通过PIPSS探测器探测到的7.7 MeV能量α粒子的发射来识别。

结果

测量结果汇总在图4的底部面板中，每个数据点代表一次独立的测量。所标注的不确定性基于Minuit2软件的估算，可视为纯统计误差，因为所有数据点之间Minuit2方法与自助法（bootstrap approach）的偏差均可忽略不计。因此，不确定性较高或较低的数据点对应于测量时间短于或长于平均测量时间的实验。

讨论

关于Alexeev等人（2020年）报告的年度波动现象，本次测量既未证实也未反驳其存在。主要限制因素是现有IRSD的²²⁶Ra活度较低。遗憾的是，更高活度的原型探测器直到最近才得以使用。由于时间差谱的统计量不足，不仅影响了整体不确定性的统计成分，还间接影响了其他方面。

结论与展望

尽管本次实验的原始目标未能完全实现，但这项测量活动仍可被视为原理验证的成功案例。长期测量为探测器装置的整体性能提供了宝贵见解。在近两年的数据收集过程中，CeBr₃闪烁体和涂有²²⁶Ra的PIPSS探测器均表现出优异的稳定性，分辨率和光谱无任何下降。此外，该测量活动还

作者贡献声明

马塞尔·P·塔卡奇（Marcell P. Takács）：概念设计、数据整理、形式分析、方法研究、软件开发、验证、数据可视化、初稿撰写及审稿编辑。卡尔斯滕·科瑟特（Karsten Kossert）：概念设计、方法研究、初稿撰写及审稿编辑

未引用参考文献

Bellini, 2013; Bergmann和Jelínek, 2022; traceRadon项目

利益冲突声明

作者声明：他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Stefan R?ttger（PTB）为本次研究提供两个IRSD原型，以及Stefaan Pommé（JRC）在拟合不确定性方面的宝贵讨论。同时，他们也感谢Hendrik Bauer（PTB）设计用于测量的3D打印源支架，以及Ulf Stolzenberg（PTB）提供的μ子剂量数据。