-
我们采用时间-位置关联测量的方法对实验中的产物进行寻找和鉴别。在寻找产物的
$ \alpha $ 衰变链时,位置窗设为1.5 mm,时间窗一般则为其$ 5\thicksim6 $ 倍的半衰期范围。图2(a)展示了与气体探测器、Veto探测器反符合之后PSSD上测得的$ \alpha $ 能谱。与气体探测器反符合后可以去除掉大部分的注入事件,同时Veto探测器可以去除掉一些高能轻粒子(如高能$ \alpha $ 和质子等)。根据$ \alpha $ 粒子能量和半衰期等性质,可以对产额较高的产物例如216Th、215Ac等进行指认。图2(b)展示了与注入核进行关联后的$ \alpha $ 能谱,其中注入核的能量窗设为$ 5\thicksim20 $ MeV,注入核与$ \alpha $ 粒子之间的 时间窗为0.5 ms。从图中可以对半衰期较短的产物如216Ac、216 m,217Th以及219U进行指认。表1中列出了本次实验确定的产物的$ \alpha $ 衰变性质与相应的文献值,通过比较,可以看到与文献值符合得很好。核素 $E_{\alpha, {\rm Meas}}$/keV $T_{1/2, {\rm Meas}}$ $E_{\alpha, {\rm Lit}}$/keV $T_{1/2, {\rm Lit}}$ 216 gAc 9 066(15) 342(20) μs 9 064(10) 440(16) μs 216 mAc 9 107(15) 369(25) μs 9 108(5) 441(7) μs 9 032(16) 9 030(5) 216 gTh 7 919(15) 26.3(5) ms 7 923(5) 26.0(2) ms 216 mTh 9 918(15)
($83.6^{+11.7}_{-11.7}$%)126(14)μs 9 930(10)(74%) 135(4) μs 9 301(16)
($11.5^{+6.0}_{-4.3}$%)9 312(12)(13%) 7 998(18)
($4.9^{+4.8}_{-2.7}$%)7 999(10)(13%) 217Th 9 257(15) 249(11) μs 9 261(4) 251(5) μs 219Th 9 330(20) $1.24^{+0.68}_{-0.32}$ μs 9 340(20) 1.05(3) μs 220Pa 9 541(20) $0.98^{+0.40}_{-0.22}$ μs 9 520(16) 0.90(13) μs 219U 9 763(15)
($89.2^{+9.8}_{-9.8}$%)60(7) μs 9 774(18) $42^{+34}_{-13}$ μs 9 246(17)
($4.3^{+3.4}_{-2.1}$%)– 8 975(17)
($6.5^{+3.7}_{-2.6}$%)– 215Th 7 510(15) 1.5(2) s 7 522(4)(40%) 1.2(2) s 7 387(15) 7 392(3)(52%) – 7 334(4)(8%) 211Ra 6 900(15) 10(3) s 6 909(4) 13(2) s 反应产物中除了较高产额的产物外,还有一些低产额的产物。对低产额产物的寻找,可以通过寻找三重关联链ER-
$ \alpha_{m} $ -$ \alpha_{d} $ 的方法。设置注入核到母核$\alpha $ 粒子的时间窗为0.5 ms,母核$ \alpha $ 粒子到子核$ \alpha $ 粒子的时间窗为7 s。图3展示了在上述条件下母核$ \alpha $ 粒子与子核$ \alpha $ 粒子能量之间的二维散点图,横坐标代表母核的$ \alpha $ 粒子能量,纵坐标代表子核的$ \alpha $ 粒子能量,图中每一个点代表着一条关联链。根据每一个点对应的能量,可以对图中U、Pa、Th等同位素的关联链进行清楚的指认。在图2(b)看不到的产物,如219Th,220Pa,在图3二维图下可以清楚地呈现出来。此外,在图3中除了219U基态到基态的$ \alpha $ 衰变链被指认外,母核能量在9.0, 9.2 MeV,子核能量在7.5 MeV附近的关联链被指认为来自于219U新的$ \alpha $ 衰变分支。为了更加可靠地指认219U的
$ \alpha $ 衰变,我们还寻找了四重关联下的衰变链ER-$ \alpha_{1} $ -$ \alpha_{2} $ -$ \alpha_{3} $ 。共计83条衰变链被指认为是219U基态到基态的$ \alpha $ 衰变。根据这些衰变链,219U的$ \alpha $ 粒子能量被确定为9 763(15) keV,与文献值9 774(18) keV符合得很好。表2中列出了新发现的10条$ \alpha $ 衰变链,根据$ \alpha_{1} $ 能量的不同被分为了AB两组。A组中母核的衰变性质被确定为$ E_{\alpha} \!=\! 9\ 246(17) $ keV和$ T_{1/2} \!= \! 50^{+50}_{-17} $ μs,子核的衰变性质被确定为$ E_{\alpha}\! =\! 7\ 511(19) $ , 7 443(23) keV和$ T_{1/2} $ =$ 1.3^{+1.3}_{-0.4} $ s,其中一条链还跟有孙子核衰变$ E_{\alpha}\!=\!6\ 807 $ keV和$ T_{1/2}\! = \!19^{+93}_{-9} $ s(重建事件)。文献中215Th的衰变性质为$ E_{\alpha}\! = \!7\ 522(4) $ , 7 392(3), 7 334(4) keV和$ T_{1/2} \!=\! 1.2(2) $ s、211Ra的衰变性质为$ E_{\alpha} \!= \! 6\ 909(4) $ keV和$ T_{1/2} $ =13(2) s。因此子核可以被指认为来自于215Th,孙子核可以被指认是211Ra。这里应该指出,对于215Th本次测得的$ E_{\alpha} \!= \!7\ 443 $ keV相比文献值$ E_{\alpha} $ =7 392 keV稍高,这可能是统计量较低导致的。另外,$ E_{\alpha} \!= \!7\ 392 $ keV的衰变分支被指认为是从215Th的基态衰变到211Ra的134-keV的激发态,且134-keV激发态的内转换系数被确定为$ \alpha_{\rm tot} \!=\! 2.5 $ [20]。因此,$ \alpha $ 粒子与内转换电子能量的叠加也可能会造成测量的$ \alpha $ 粒子能量偏大。B组中母核的衰变性质被确定为$ E_{\alpha} $ =8 975(17) keV和$ T_{1/2} \!=\! 105 ^{+73}_{-30} $ μs,子核的衰变性质为$ E_{\alpha} $ =7 507(18) keV,7 422(19) keV和$ T_{1/2} $ =$ 2.5^{+1.7}_{-0.7} $ s,孙子核的衰变性质为$ E_{\alpha} \!=\! 6\ 876(23) $ keV和$ T_{1/2}\! =\! 14^{+65}_{-6} $ s。如上所述,子核可以被指认为215Th,孙子核可以被指认为211Ra。因此,AB两组的衰变链分别被指认为来自于219U。兰州充气谱仪的传输效率约为14%,在当前实验条件下,219U的产生截面被确定为2.5(4)nb(这里的误差仅代表统计误差)。
表 2 实验观察到的219U新的α衰变链
分组 衰变序号 $E_{\rm ERs}$/MeV 219U 215Th 211Ra $E_{\alpha1}$/keV $\Delta$t$_{\alpha1}$/μs $E_{\alpha2}$/keV $\Delta$t$_{\alpha2}$/s $E_{\alpha3}$/keV $\Delta$t$_{\alpha3}$/s A 1 10.00 9 239 135 7 503 0.4 – – 2 16.14 9 275 34 7 443 2.2 – – 3 13.89 9 219 114 7 519 0.2 6 807 (602+6 205)* 27.9 4 15.21 9 250 4 7 383 (2 666+4 717)* 4.4 – – B 5 13.04 8 971 48 7 505 6.1 – – 6 12.78 8 961 72 7 539 0.8 – – 7 9.10 9 021 190 7 403 4.1 – – 8 12.23 8 946 96 7 475 (1 207+6 268)* 2.5 6 876 19.6 9 13.96 9 027 (1 184+7 843)* 466 7 441 2.1 – – 10 9.95 8 988 (822+8 166)* 38 7 477 5.7 – – * 重建事件以$x$+$y$的形式给出,其中$x$表示沉积PSSD上的能量,$y$表示沉积在SSD上的能量。
α-decay Studies of the N=127 Isotones 219U and 216Ac
-
摘要: 本工作通过重离子熔合蒸发反应 40Ar+183W,产生了质子滴线附近的轻锕系核素 219U和 216Ac。实验在兰州充气反冲谱仪(SHANS)上开展,目标核产生后从薄靶中反冲出来,在飞行中与大量的本底粒子进行分离并偏转到位于焦平面的探测系统中。探测系统对注入的反冲核和随后的
$ \alpha $ 衰变进行探测,并利用寻找$ \alpha $ 衰变链的方法对产物进行寻找和鉴别。在本次工作中,219U已知的$ \alpha $ 衰变数据得到改善,其基态衰变到子核215Th基态的$ \alpha $ 粒子能量被确定为$E_{\alpha}\!=\!9\ 763(15)$ keV,半衰期为$ T_{1/2} $ =60(7) μs。首次发现了219U两个新的$ \alpha $ 衰变分支,其能量为$ E_{\alpha} $ =9 246(17) keV, 8 975(17) keV,并指认它们分别是从 219U 的基态衰变到子核 215Th的低激发态 (5/2–)和(3/2–)。此外,通过对 216Ac的$ \alpha $ 衰变数据的分析,证实了216Ac存在同核异能态。Abstract: The light actinide nuclei 219U and 216Ac were produced in fusion-evaporation reaction using a 183W target and 40Ar beam. After recoiling from thin target, the fusion-evaporation residues were separated by the gas-filled recoil separator SHANS (Spectrometer for Heavy Atoms and Nuclear Structure) and transported into the focal plane detector systems, where their impantations and decays were measured. The method of searching for$ \alpha $ -decay chains was used to identify the nuclei. In this work, the known$ \alpha $ decay of 219U was measured with improved precision and the$ \alpha $ -particle energy of 9 763(15) keV and a half-life of 60(7) μs was determined. In addition, two new$ \alpha $ -decay lines at 9 246(17) keV and 8 975(17) keV were observed and assigned as the decays from the ground state of 219U to the ($5/2 ^{-} $ ) and ($3/2 ^{-} $ ) states of 215Th, respectively. The existence of an$ \alpha $ -decaying isomeric state in 216Ac was also confirmed. -
图 4 (在线彩图)奇质量数
$N$ =127同中子素的$\alpha$ 衰变纲图数据来源于本次工作以及文献[10]。在$\alpha$粒子能量后边的括号里给出了计算的$\alpha$衰变约化宽度值,单位是keV。新发现的219U的衰变分支以及首次确定的(3/2–)激发能被标记为红色。
核素 $E_{\alpha, {\rm Meas}}$ /keV$T_{1/2, {\rm Meas}}$ $E_{\alpha, {\rm Lit}}$ /keV$T_{1/2, {\rm Lit}}$ 216 gAc 9 066(15) 342(20) μs 9 064(10) 440(16) μs 216 mAc 9 107(15) 369(25) μs 9 108(5) 441(7) μs 9 032(16) 9 030(5) 216 gTh 7 919(15) 26.3(5) ms 7 923(5) 26.0(2) ms 216 mTh 9 918(15)
($83.6^{+11.7}_{-11.7}$ %)126(14)μs 9 930(10)(74%) 135(4) μs 9 301(16)
($11.5^{+6.0}_{-4.3}$ %)9 312(12)(13%) 7 998(18)
($4.9^{+4.8}_{-2.7}$ %)7 999(10)(13%) 217Th 9 257(15) 249(11) μs 9 261(4) 251(5) μs 219Th 9 330(20) $1.24^{+0.68}_{-0.32}$ μs9 340(20) 1.05(3) μs 220Pa 9 541(20) $0.98^{+0.40}_{-0.22}$ μs9 520(16) 0.90(13) μs 219U 9 763(15)
($89.2^{+9.8}_{-9.8}$ %)60(7) μs 9 774(18) $42^{+34}_{-13}$ μs9 246(17)
($4.3^{+3.4}_{-2.1}$ %)– 8 975(17)
($6.5^{+3.7}_{-2.6}$ %)– 215Th 7 510(15) 1.5(2) s 7 522(4)(40%) 1.2(2) s 7 387(15) 7 392(3)(52%) – 7 334(4)(8%) 211Ra 6 900(15) 10(3) s 6 909(4) 13(2) s 表 2 实验观察到的219U新的α衰变链
分组 衰变序号 $E_{\rm ERs}$ /MeV219U 215Th 211Ra $E_{\alpha1}$ /keV$\Delta$ t$_{\alpha1}$ /μs$E_{\alpha2}$ /keV$\Delta$ t$_{\alpha2}$ /s$E_{\alpha3}$ /keV$\Delta$ t$_{\alpha3}$ /sA 1 10.00 9 239 135 7 503 0.4 – – 2 16.14 9 275 34 7 443 2.2 – – 3 13.89 9 219 114 7 519 0.2 6 807 (602+6 205)* 27.9 4 15.21 9 250 4 7 383 (2 666+4 717)* 4.4 – – B 5 13.04 8 971 48 7 505 6.1 – – 6 12.78 8 961 72 7 539 0.8 – – 7 9.10 9 021 190 7 403 4.1 – – 8 12.23 8 946 96 7 475 (1 207+6 268)* 2.5 6 876 19.6 9 13.96 9 027 (1 184+7 843)* 466 7 441 2.1 – – 10 9.95 8 988 (822+8 166)* 38 7 477 5.7 – – * 重建事件以 $x$ +$y$ 的形式给出,其中$x$ 表示沉积PSSD上的能量,$y$ 表示沉积在SSD上的能量。 -
[1] ANDREYEV A N, HUYSE M, VAN DUPPEN P, et al. Phys Rev Lett, 2013, 110(24): 242502. doi: 10.1103/PhysRevLett.110.242502 [2] ASAI M, HESSBERGER F P, LOPEZ-MARTENS A. Nucl Phys A, 2015, 944: 308. doi: 10.1016/j.nuclphysa.2015.06.011 [3] ZHANG Z Y, GAN Z G, YANG H B, et al. Phys Rev Lett, 2019, 122(19): 192503. doi: 10.1103/PhysRevLett.122.192503 [4] TERUYA E, HIGASHIYAMA K, YOSHINAGA N. Phys Rev C, 2016, 93(6): 064327. doi: 10.1103/PhysRevC.93.064327 [5] YANASE K, TERUYA E, HIGASHIYAMA K, YOSHINAGA N. Phys Rev C, 2018, 98(1): 014308. doi: 10.1103/PhysRevC.98.014308 [6] JARDINE L J. Phys Rev C, 1975, 11(4): 1385. doi: 10.1103/PhysRevC.11.1385 [7] HESSBERGER F P, HOFMANN S, ACKERMANN D, et al. Eur Phys J A, 2000, 8: 521. doi: 10.1007/s100500070075 [8] TORGERSON D F, MACFARLANE R D. Phys Rev C, 1970, 2(6): 2309. doi: 10.1103/PhysRevC.2.2309 [9] NISHIO K, IKEZOEK H, MITSUOKA S, et al. Phys Rev C, 2000, 61(3): 034309. doi: 10.1103/PhysRevC.61.034309 [10] NNDC National Nuclear Data Center, Chart of Nuclides[EB/OL].[2019-12-26]. http://www.nndc.bnl.gov/nudat2. [11] ANDREYEV A N, BOGDANOV D D, CHEPIGIN V I, et al. Z Phys A, 1993, 345: 247. doi: 10.1007/BF01293353 [12] LEPPÄNEN A P, UUSITALO J, LEINO M, et al. Phys Rev C, 2007, 75(5): 054307. doi: 10.1103/PhysRevC.75.054307 [13] KUUSINIEMI P, HESSBERGER F P, ACKERMANN D, et al. Eur Phys J A, 2004, 22: 429. doi: 10.1140/epja/i2004-10101-2 [14] ZHANG Z Y, MA L, GAN Z G, et al. Nucl Instr Meth B, 2013, 317: 315. doi: 10.1016/j.nimb.2013.05.062 [15] ZIEGLER J F, ZIEGLER M D, BIERSACK J P. Nucl Instr Meth B, 2010, 268: 1818; Computer Code is Available From http://www.srim.org. [16] ALBERI J L, RADEKA V. IEEE Trans on Nucl Sci, 1976, 23(1): 251. doi: 10.1109/TNS.1976.4328248 [17] V1724, VX1724 User Manual, 2018[EB/OL].[2019-12-25]. http://www.caen.it/csite. [18] YANG H B, MA L, ZHANG Z Y, et al. Phys Lett B, 2018, 777: 212. doi: 10.1016/j.physletb.2017.12.017 [19] YANG H B, GAN Z G, ZHANG Z Y, et al. Eur Phys J A, 2019, 55: 8. doi: 10.1140/epja/i2019-12684-7 [20] KUUSINIEMI P, HESSBERGER F P, ACKERMANN D, et al. Eur Phys J A, 2005, 25: 397. [21] HUANG T H, ZHANG W Q, SUN M D, et al. Phys Rev C, 2017, 96(1): 014324. doi: 10.1103/PhysRevC.96.014324 [22] RASMUSSEN J O. Phys Rev, 1959, 113(6): 1593. doi: 10.1103/PhysRev.113.1593 [23] ROTTER H, DEMIN A G, PASHCHENKO L P, Sov J. Nucl Phys, 1967, 4: 178. [24] VALLI K, HYDE E K. Phys Rev, 1968, 176: 1377. [25] ZHANG M M, YANG H B, GAN Z G, et al. Phys Lett B, 2020, 800: 135102. doi: 10.1016/j.physletb.2019.135102