37Ca β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

孫立杰 林承鍵 徐新星 王建松 賈會(huì)明 楊 峰 楊彥云 楊 磊 包鵬飛 張煥喬 金仕綸 韓建龍,3 吳振東 張寧濤 陳思澤 馬軍兵 馬 朋 馬南茹 劉祖華 鄭 壘,4

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

3（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

4（北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院 北京 100191）

37Ca β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

孫立杰1林承鍵1徐新星1王建松2賈會(huì)明1楊 峰1楊彥云2楊 磊1包鵬飛1張煥喬1金仕綸2韓建龍2,3吳振東1張寧濤2陳思澤2馬軍兵2馬 朋2馬南茹1劉祖華1鄭 壘1,4

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

3（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

4（北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院 北京 100191）

對(duì)β緩發(fā)質(zhì)子衰變模式的研究已經(jīng)成為獲取極豐質(zhì)子核及其核結(jié)構(gòu)知識(shí)的有力工具。在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州放射性束流線上開(kāi)展了37Ca β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射實(shí)驗(yàn)，采用將感興趣核注入雙面硅條探測(cè)器測(cè)量其關(guān)聯(lián)衰變的實(shí)驗(yàn)方法，在連續(xù)束模式下測(cè)量了37Ca β緩發(fā)質(zhì)子衰變能譜、半衰期、衰變分支比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)基本符合，證實(shí)了我們實(shí)驗(yàn)方法的可行性與數(shù)據(jù)處理程序的可靠性，為下一步開(kāi)展更近質(zhì)子滴線核衰變研究積累了經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造了條件。

β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射，雙面硅條探測(cè)器，質(zhì)子能譜，半衰期，衰變分支比

奇特核衰變是國(guó)際核物理研究的前沿領(lǐng)域之一。在遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核區(qū)發(fā)現(xiàn)了一批新的核衰變模式，如β緩發(fā)中子發(fā)射[1]、β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射[2]、基態(tài)單質(zhì)子發(fā)射[3]與基態(tài)雙質(zhì)子發(fā)射[4-5]等，拓廣和深化了核物理研究的領(lǐng)域和內(nèi)容[6]。

離穩(wěn)定線不遠(yuǎn)的原子核，由于母核與β衰變子核在結(jié)合能上的差別很小，衰變模式傾向于β衰變。原子核向質(zhì)子滴線方向靠近時(shí)，同位旋對(duì)應(yīng)的質(zhì)量差大致呈二次方增長(zhǎng)，β衰變能增大，同時(shí)核子的分離能顯著減小，豐質(zhì)子核的β衰變更易于布居到子核的高激發(fā)態(tài)，包括粒子非束縛態(tài)，因此粒子發(fā)射等許多其他衰變道打開(kāi)，各種衰變模式如圖1所示。豐質(zhì)子核β衰變到粒子發(fā)射核的激發(fā)態(tài)，然后發(fā)生單質(zhì)子衰變、雙質(zhì)子衰變或α衰變。探測(cè)這些衰變出射粒子可全面地描述一個(gè)核態(tài)的衰變特征[7]。極豐質(zhì)子核β衰變釋放能量大，布居到子核的大范圍激發(fā)態(tài)，可以獲得很大能量范圍的GT強(qiáng)度方程，也可以對(duì)殼模型計(jì)算進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。而且相對(duì)于探測(cè)中子，高分辨測(cè)量質(zhì)子更容易實(shí)現(xiàn)，這使得開(kāi)展豐質(zhì)子核β+衰變的研究比豐中子核β-衰變更方便[8]。

圖1 豐質(zhì)子核衰變綱圖Fig.1 Schematic decay scheme for Z ＞ N nuclei.

目前對(duì)β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射過(guò)程已有深入研究，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了多種譜學(xué)信息：能級(jí)能量、寬度、自旋、同位旋、能級(jí)密度以及β衰變性質(zhì)，也可以更為精確地測(cè)定核質(zhì)量。測(cè)量帶電粒子譜是研究奇特核的重要譜學(xué)工具[9]。

A=37的B(GT)方程是天體物理的興趣點(diǎn)，因?yàn)榭梢源_定37Cl中微子俘獲率，其截面可以用來(lái)刻度測(cè)量太陽(yáng)中微子流的37Cl探測(cè)器[10]。基于同位旋對(duì)稱性假設(shè)，從37Ca β衰變得到的B(GT)分布與從37Cl(p,n)37Ar反應(yīng)得到的B(GT)分布應(yīng)一致[11]。37Ca QEC= 11 664 keV，可以在大范圍的激發(fā)能區(qū)比較β衰變的B(GT)和從N = 20的鏡像核(p,n)反應(yīng)抽取的B(GT)，并且可檢驗(yàn)殼模型理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)上精確測(cè)量37Ca β衰變具有重要意義[12]。傳統(tǒng)奇特核衰變實(shí)驗(yàn)通常將感興趣核注入大面積硅探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)[13]，為測(cè)量半衰期，注入和衰變之間不能有新的注入事件，這樣必須使用脈沖束，極大地限制了流強(qiáng)與統(tǒng)計(jì)；而且這種實(shí)驗(yàn)方法要求束流純度要高，而越靠近滴線的核往往難以形成高純度高流強(qiáng)的束流，所以為開(kāi)展更近滴線核的衰變研究，探測(cè)技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與過(guò)程

37Ca β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州放射性束流線(Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou, RIBLL)[14]上完成。實(shí)驗(yàn)中由回旋加速器產(chǎn)生能量為69.42 MeV.u-1，流強(qiáng)為40 enA的主束40Ca20+，轟擊9Be初級(jí)靶發(fā)生彈核碎裂反應(yīng)(projectile fragmentation)，初級(jí)靶厚度為990 μm，鋁降能器厚度為500 μm。彈核碎片等反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)RIBLL譜儀Bρ-ΔE-Bρ消色差選擇和分離，產(chǎn)生出實(shí)驗(yàn)需要的次級(jí)束，其中37Ca能量為36.3MeV.u-1。

實(shí)驗(yàn)所用探測(cè)器陣列包括粒子鑒別系統(tǒng)、注入探測(cè)器、衰變事件記錄探測(cè)器，后續(xù)匹配大規(guī)模的電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，如圖2所示。在連續(xù)束模式下將感興趣核注入雙面硅條探測(cè)器，對(duì)注入核及其衰變粒子的物理信息（能量和時(shí)間）都予以記錄。通過(guò)event by event分析過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)注入、衰變事件的完全跟蹤。位于T1、T2的時(shí)間拾取探測(cè)器給出的飛行時(shí)間(Time of flight, TOF)結(jié)合位于T2厚度為299 μm的大面積四分硅探測(cè)器(Quadrant Silicon Detector, QSD) SD1給出的能損信號(hào)(ΔE)可以建立ΔE-TOF圖譜，對(duì)束流重離子進(jìn)行鑒別。采用525 μm厚的雙面硅條探測(cè)器(Double-sided Silicon Strip Detector, DSSD)作為感興趣核注入探測(cè)器，每個(gè)x-y像素格都可視為獨(dú)立探測(cè)器，在連續(xù)束、高注入率的條件下各單個(gè)像素格內(nèi)仍能保持較低注入率，衰變事件和注入事件的時(shí)間關(guān)聯(lián)得以建立。SD2是314 μm厚的大面積四分硅探測(cè)器，測(cè)量束流中的重離子信號(hào)，可以通過(guò)反符合去掉穿透DSSD的小部分重離子信號(hào)。陣列末端兩塊大面積四分硅探測(cè)器SD3、SD4厚度分別為1546 μm、1533 μm，用于測(cè)量束流中的輕粒子（1H、2H、3H、α等），反符合去掉穿透DSSD的輕粒子在DSSD中的能損信號(hào)，并且測(cè)量DSSD中感興趣核衰變產(chǎn)生的β粒子。在硅探測(cè)器陣列外圍有4個(gè)Clover型的高純鍺探測(cè)器，用于測(cè)量衰變過(guò)程中產(chǎn)生的γ信息。

圖2 37Ca實(shí)驗(yàn)探測(cè)器陣列示意圖Fig.2 Schematic layout of the detection setup.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1次級(jí)束離子鑒別

通過(guò)位于T1、T2的時(shí)間拾取探測(cè)器給出的TOF結(jié)合位于T2厚度為299 μm的大面積四分硅探測(cè)器SD1給出的能損信號(hào)(ΔE)建立ΔE-TOF二維粒子鑒別圖譜，對(duì)束流重離子進(jìn)行鑒別，如圖3為次級(jí)束ΔE-TOF二維粒子鑒別圖譜，37Ca平均計(jì)數(shù)率約9.4 ps-1，純度約0.28%。

圖3 37Ca次級(jí)束ΔE-TOF二維鑒別圖譜Fig.3 37Ca two-dimensional identification plot of ΔE-TOF.

2.2帶電粒子能譜

DSSD測(cè)得的能譜與ΔE-TOF反符合去除束流，與SD3、SD4輕粒子信號(hào)符合去除束流中摻雜的輕粒子（1H、2H、3H、4He等），注入衰變時(shí)間差選取約三倍半衰期的范圍進(jìn)一步去除質(zhì)子譜的本底。由于阻止注入、鑒別衰變使用同一個(gè)硅探測(cè)器，β緩發(fā)質(zhì)子被阻止在探測(cè)器中，而能量很高的β粒子在注入探測(cè)器中能損很小，可以穿出。根據(jù)出射方向與探測(cè)器平面的夾角不同，β粒子在探測(cè)器中的沉積能量從幾十keV到1 MeV以上不等。這種β能量沉積使帶電粒子峰高能側(cè)產(chǎn)生一個(gè)高能拖尾，峰位發(fā)生微小的位移，要確定質(zhì)子衰變能量，需要修正這種β堆積(β pile-up)效應(yīng)。要減少高能拖尾的影響，需要在注入探測(cè)器周?chē)胖忙铝Ｗ犹綔y(cè)器做反符合探測(cè)器[15]。被下游β探測(cè)器記錄到的β粒子都是在注入探測(cè)器中經(jīng)過(guò)路徑最短，沉積能量最小的。這樣經(jīng)去除束流和輕粒子、注入衰變時(shí)間關(guān)聯(lián)、β粒子符合4個(gè)符合條件甄別后可以得到較為干凈的37Ca衰變質(zhì)子能譜，如圖4所示看到5個(gè)質(zhì)子峰，由Garcia更高分辨的測(cè)量數(shù)據(jù)[12]可知，峰4為兩種能量接近的衰變質(zhì)子組成。

圖4 37Ca衰變質(zhì)子能譜Fig.4 β-delayed proton spectrum from 37Ca decay.

與SD3 β符合后質(zhì)子峰的能量仍疊加了β粒子在DSSD中很小的能損，計(jì)算衰變產(chǎn)生β粒子的能量，對(duì)質(zhì)子峰的能量作進(jìn)一步的β修正(表1)。與文獻(xiàn)[16-18]數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 β粒子能損修正Table1 Energy loss correction for β particles.

表2 37Ca β緩發(fā)質(zhì)子衰變能量Table2 Energy of β-delayed protons from 37Ca decay.

2.3衰變時(shí)間譜

DSSD可細(xì)分為16×16個(gè)像素，由于實(shí)驗(yàn)中37Ca在DSSD中注入率很低(約4.8 ps-1)，分到每個(gè)像素格內(nèi)的注入率更低，根據(jù)在每一個(gè)像素格內(nèi)記錄到的衰變候選事件，與同一個(gè)像素格內(nèi)之前記錄的注入候選事件的時(shí)間差來(lái)判斷兩者的關(guān)聯(lián)。

少量誤判的注入衰變關(guān)聯(lián)事件在時(shí)間關(guān)聯(lián)譜上形成一個(gè)本底，近似于一個(gè)常數(shù)，但更為精確的處理方法是用一個(gè)線性函數(shù)擬合這個(gè)本底，得到的參數(shù)代入指數(shù)衰減加線性本底的函數(shù)式(1)，再擬合衰變時(shí)間曲線，如圖5。

圖5 37Ca衰變時(shí)間譜Fig.5 Decay-time spectrum of 37Ca.

擬合衰變時(shí)間曲線得到37Ca擬合半衰期T1/2= (181.6±2.0)ms，與文獻(xiàn)[16,18,19-22]結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 37Ca半衰期測(cè)量結(jié)果Table3 Experimental half-life of 37Ca

2.4衰變分支比

從注入探測(cè)器DSSD確定衰變事件與注入事件的比值，即為總的β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射的絕對(duì)分支比。另外，該比值需要修正37Ca在硅中發(fā)生次級(jí)反應(yīng)的損失(11(1)%)[23]。

為扣除本底干擾，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用擬合方法計(jì)算分支比。對(duì)注入事件和衰變事件的時(shí)間差取不同范圍，得到不同衰變時(shí)間內(nèi)各輪質(zhì)子能譜衰變事件計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)遵循指數(shù)衰減加常數(shù)本底的函數(shù)式(2)：

式中，y為注入衰變時(shí)間差等于x時(shí)衰變事件計(jì)數(shù)；N為衰變事件全部衰變的總質(zhì)子數(shù)；M為單位時(shí)間內(nèi)的本底計(jì)數(shù)。這里采用常數(shù)本底擬合是基于統(tǒng)計(jì)很低，本底的緩慢降低可忽略，用線性函數(shù)做本底擬合時(shí)得到的斜率也幾乎為零。擬合結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 37Ca在DSSD中的注入與衰變Table 4 Implantation and decay of 37Ca.

數(shù)據(jù)處理程序?qū)λプ兪录呐袛鄺l件需設(shè)置為不包含注入與衰變同時(shí)發(fā)生的情況，摻雜核的高注入率使得偶然符合的小部分質(zhì)子衰變事件被程序去除，所以出現(xiàn)了注入率越高，衰變分支比就越小的現(xiàn)象，要得到總的βp衰變分支比，擬合衰變分支比與注入率關(guān)系的線性外推至注入率為零即得到70.6±1.8%，如圖6。

各βp成分的衰變分支比可從質(zhì)子能譜計(jì)算，圖4可以看到5個(gè)質(zhì)子峰，為扣除本底干擾，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，也采用擬合方法計(jì)算分支比。對(duì)注入事件和衰變事件的時(shí)間差取不同范圍，得到不同衰變時(shí)間內(nèi)各質(zhì)子峰的計(jì)數(shù)，各峰的計(jì)數(shù)遵循指數(shù)衰減加常數(shù)本底的函數(shù)見(jiàn)式(2)。根據(jù)N的擬合結(jié)果得到分支比，與文獻(xiàn)[16-18,22]數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

圖6 37Ca βp總衰變分支比與束流注入率的關(guān)系Fig.6 Total branching ratios for the β-delayed proton decay of 37Ca as a function of implantation rate.

表5 37Ca βp衰變分支比Table5 Branching ratios for the β-delayed proton decay of 37Ca.

3 結(jié)語(yǔ)

早期奇特核衰變實(shí)驗(yàn)一般將感興趣核注入大面積硅探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，對(duì)束流純度要求高而且不能在連續(xù)束下測(cè)量。為開(kāi)展更靠近質(zhì)子滴線核的衰變研究，我們采用雙面硅條探測(cè)器作為注入探測(cè)器，每個(gè)x-y像素格都可視為獨(dú)立探測(cè)器，這樣在連續(xù)束、高束流注入率的條件下各單個(gè)像素格內(nèi)仍能保持較低注入率，衰變和注入事件的時(shí)間和位置關(guān)聯(lián)仍然可以建立。應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行豐質(zhì)子核的β

衰變譜學(xué)研究，在束流品質(zhì)較差的條件下使用很少束流時(shí)間取得了較高的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)符合得很好。這證實(shí)了我們實(shí)驗(yàn)方法的可行性與數(shù)據(jù)處理程序的可靠性，為下一步開(kāi)展更近質(zhì)子滴線核在束β衰變譜學(xué)研究積累了經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造了條件。

1 Roberts R B, Meyer R C, Wang P. Further observation on the splitting of uranium[J]. Physical Review, 1939, 55: 510-512

2 Barton R, McPherson R, Bell R E, et al. Observation of delayed proton radioactivity[J]. Canadian Journal of Physics, 1963, 41: 2007-2008

3 Hofmann S, Reisdorf W, Münzenberg G, et al. Proton radioactivity of151Lu[J]. Zeitschrift Für Physik A, 1982, 305: 111-113

4 Pfutzner M, Badura E, Bingham C, et al. First evidence for the two-proton decay of45Fe[J]. European Physical Journal A, 2002, 14: 279-281

5 Giovinazzo J, Blank B, Chartier M, et al. Two-proton radioactivity of45Fe[J]. Physical Review Letters, 2002, 89: 102501

6 Pfutzner M, Karny M, Grigorenko L V, et al. Radioactive decays at limits of nuclear stability[J]. Reviews of Modern Physics, 2012, 84: 567-570

7 Borge M J G. Beta-delayed particle emission[J]. Physica Scripta, 2013, 152: 014013

8 Blank B, Borge M J G. Nuclear structure at the proton drip line: advances with nuclear decay studies[J]. Progress in Particle and Nuclear Physics, 2008, 60: 403-405

9 Hardy J C. Beta-delayed proton emission[J]. AIP Conference Proceedings, 2000, 518: 229-231

10 Davis R, Harmer J D S, Hoffman K C. Search for neutrinos from the sun[J]. Physical Review Letters, 1968, 20: 1205-1207

11 Bahcall J N, Ulrich R K. Solar models, neutrino experiments, and helioseismology[J]. Reviews of Modern Physics, 1988, 60: 297-299

12 Garcia A, Adelberger E G, Magnus P V, et al. β+Decay of37Ca: implications for the efficiency of the37Cl solar ν detector[J]. Physical Review Letters, 1991, 67: 3654-3657

13 Trinder W, Adelberger E G, Janas Z, et al. β-decay of37Ca[J]. Physics Letters B, 1995, 349: 267-271

14 Sun Z Y, Zhan W L, Guo Z Y, et al. RIBLL, the radioactive ion beam line in Lanzhou[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2003, A503: 496-501

15 Jimenez L, Saint-laurent M J, Angelique J C, et al. New transitions in the β-decay of36Ca[J]. European Physical Journal A, 2001, 10: 119-125

16 Poskanzer A M, McPherson R, Esterlund R A, et al. Beta-delayed protons from33Ar,37Ca and41Ti[J]. Physical Review C, 1966, 152: 995-999

17 Sextro R G, Gough R A, Cerny J. High-resolution measurements of beta-delayed protons from37Ca and41Ti[J]. Nuclear Physics A, 1974, 234: 130-135

18 Dossat C, Adimi N, Aksouh F, et al. The decay of proton-rich nuclei in the mass A = 36-56 region[J]. Nuclear Physics A, 2007, 792: 18-26

19 Tachibana T, Yamada M. Proceeding of international conference on exotic nuclei and atomic masses[C]. Frence, Arles, 1995: 763-780

20 Hardy J C, Verrall R I. Calsium-37[J]. Physical Review Letters, 1964, 13: 764-773

21 Reeder P L, Poskanzer A M, Esterlund R A. New delayed-proton emitters:41Ti,37Ca and33Ar[J]. Physical Review Letters, 1964, 13: 767-769

22 Trinder W, Adelberger E G, Brown B A, et al. Study of the β decays of37Ca and36Ca[J]. Nuclear Physics A, 1997, 620: 191-196

23 Shen W Q, Wang B, Feng J, et al. Total reaction cross section for heavy-ion collisions and its relation to the neutron excess degree of freedom[J]. Nuclear Physics A, 1989, 491: 130-133

CLCTL11

Experimental study of beta-delayed proton emission of37Ca

SUN Lijie1LIN Chengjian1XU Xinxing1WANG Jiansong2JIA Huiming1YANG Feng1YANG Yanyun2YANG Lei1BAO Pengfei1ZHANG Huanqiao1JIN Shilun2HAN Jianlong2,3WU Zhendong1ZHANG Ningtao2CHEN Size2MA Junbing2MA Peng2MA Nanru1LIU Zuhua1ZHENG Lei1,4

1(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
3(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
4(School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Background: The investigation of beta-delayed proton decay mode has become a powerful tool to study the proton-rich nuclei and their nuclear structure. Purpose: The aim is to study exotic nuclei with extremely low production rates and purity. Methods: The experiment of beta-delayed proton emission of37Ca was performed at the First Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou (RIBLL). Ions were implanted into a double-sided silicon detector (DSSD), where the subsequent decays were correlated to the preceding implantation under a continuous beam-mode. Results: The energy spectrum of delayed protons from37Ca β decay, half-life and decay branching ratios were measured. Conclusion: The experimental results are in reasonable agreement with the literature, demonstrating the feasibility of our detection approach and the reliability of our data analysis procedure. This allows for development of more powerful detection arrays and further research on nuclei closer to proton-drip line on the basis of present work.

β-delayed proton emission, Double-sided silicon detector (DSSD), Proton spectrum, Half-life, Decay branching ratio

TL11

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100509

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.2013CB834404)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.10727505、No.10735100、No.11005156、No.11375268)資助

孫立杰，男，1989年出生，現(xiàn)為中國(guó)原子能科學(xué)研究院碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)

林承鍵，Email: cjlin@ciae.ac.cn

2014-04-29，

2014-06-10