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高祺锐, 徐新星, 周小红, 孙立杰, 梁鹏飞, 刘嘉健, 林承键, 李晓菁, 李智焕, 吴鸿毅, 杨彦云, 王建松, 王东玺, 蓝乙华, 马朋, 段芳芳, 高志浩, 胡强, 白真, 马军兵, 王建国, 钟福鹏, 武晨光, 罗迪雯, 蒋颖, 刘洋, 侯东升, 李忍, 马南茹, 马维虎, 石国柱, 余功明, D.Patel, 金树亚, 王煜峰, 余悦超, 周清武, 王鹏, 胡力元, 王翔, 臧宏亮, 李朋杰, 朱浩钒, 林喆阳, 赵青青, 杨磊, 温培威, 杨峰, 贾会明, 张高龙, 潘敏, 汪小雨, 孙浩瀚, 胡正国, 陈若富, 柳敏良, 杨维青. 近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究[J]. 原子核物理评论, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
引用本文: 高祺锐, 徐新星, 周小红, 孙立杰, 梁鹏飞, 刘嘉健, 林承键, 李晓菁, 李智焕, 吴鸿毅, 杨彦云, 王建松, 王东玺, 蓝乙华, 马朋, 段芳芳, 高志浩, 胡强, 白真, 马军兵, 王建国, 钟福鹏, 武晨光, 罗迪雯, 蒋颖, 刘洋, 侯东升, 李忍, 马南茹, 马维虎, 石国柱, 余功明, D.Patel, 金树亚, 王煜峰, 余悦超, 周清武, 王鹏, 胡力元, 王翔, 臧宏亮, 李朋杰, 朱浩钒, 林喆阳, 赵青青, 杨磊, 温培威, 杨峰, 贾会明, 张高龙, 潘敏, 汪小雨, 孙浩瀚, 胡正国, 陈若富, 柳敏良, 杨维青. 近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究[J]. 原子核物理评论, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
Qirui GAO, Xinxing XU, Xiaohong ZHOU, Lijie SUN, Pengfei LIANG, Jiajian LIU, Chengjian LIN, Lee Jenny, Zhihuan LI, Hongyi WU, Yanyun YANG, Jiansong WANG, Dongxi WANG, Yihua LAN, Peng MA, Fangfang DUAN, Zhihao GAO, Qiang HU, Zhen BAI, Junbing MA, Jianguo WANG, Fupeng ZHONG, Chenguang WU, Diwen LUO, Yin JIANG, Yang LIU, Dongsheng HOU, Ren LI, Nanru MA, Weihu MA, Guozhu SHI, Gongming YU, Dipika Patel, Shuya JIN, Yufeng WANG, Yuechao YU, Qingwu ZHOU, Peng WANG, Liyuan HU, Xiang WANG, Hongliang ZANG, Pengjie LI, Haofan ZHU, Zheyang LIN, Qingqing ZHAO, Lei YANG, Peiwei WEN, Feng YANG, Huiming JIA, Gaolong ZHANG, Min PAN, Xiaoyu WANG, Haohan SUN, Zhengguo HU, Ruofu CHEN, Minliang LIU, Weiqing YANG. β-delayed γ Decay of the Nucleus 28S Near the Proton Drip-line[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
Citation: Qirui GAO, Xinxing XU, Xiaohong ZHOU, Lijie SUN, Pengfei LIANG, Jiajian LIU, Chengjian LIN, Lee Jenny, Zhihuan LI, Hongyi WU, Yanyun YANG, Jiansong WANG, Dongxi WANG, Yihua LAN, Peng MA, Fangfang DUAN, Zhihao GAO, Qiang HU, Zhen BAI, Junbing MA, Jianguo WANG, Fupeng ZHONG, Chenguang WU, Diwen LUO, Yin JIANG, Yang LIU, Dongsheng HOU, Ren LI, Nanru MA, Weihu MA, Guozhu SHI, Gongming YU, Dipika Patel, Shuya JIN, Yufeng WANG, Yuechao YU, Qingwu ZHOU, Peng WANG, Liyuan HU, Xiang WANG, Hongliang ZANG, Pengjie LI, Haofan ZHU, Zheyang LIN, Qingqing ZHAO, Lei YANG, Peiwei WEN, Feng YANG, Huiming JIA, Gaolong ZHANG, Min PAN, Xiaoyu WANG, Haohan SUN, Zhengguo HU, Ruofu CHEN, Minliang LIU, Weiqing YANG. β-delayed γ Decay of the Nucleus 28S Near the Proton Drip-line[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084

近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(B类)资助(XDB34000000);国家自然科学基金资助项目(12022501, U1932206, U1632136)
详细信息

β-delayed γ Decay of the Nucleus 28S Near the Proton Drip-line

Funds: Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDB34000000); National Natural Science Foundation of China(12022501, U1932206, U1632136)
More Information
  • 摘要: 在兰州重离子研究装置上,依托兰州放射性束流线,产生、分离和鉴别了同位旋第三分量$ T_{Z}=-2 $的近质子滴线核28S,并通过使用包括双面硅条探测器和高纯锗探测器在内的探测阵列,开展了28S的$\beta$延迟$\gamma$衰变测量。实验准确测量了28S衰变中的5条$\beta$延迟$\gamma$射线,得到了子核28P相应能级的能量。首次提取出了$\beta$衰变布居到28P低激发态的衰变分支比,并构筑了28S的全新部分衰变纲图。本工作为将来进一步比较28S和28Mg间的镜像不对称性提供了精确的实验数据。
  • 图  1  (在线彩图)28S次级束ΔE-ToF二维鉴别图谱

    图  2  (在线彩图)探测阵列示意图

    图  3  28S $ \beta $延迟$ \gamma $射线谱

    图  4  (在线彩图)28S部分衰变纲图

    表  1  28S $ \beta $延迟$ \gamma $射线的能量、绝对强度和初末态能级

    $ \gamma $峰能量
    $ E_{\gamma} $/keV
    绝对强度
    $ I_{\gamma} $/%
    初态能级
    $ E^*_{\rm i} $/keV
    末态能级
    $ E^*_{\rm f} $/keV
    $ \gamma_1 $435(2)8.0(8)1 313(3)876(3)
    $ \gamma_2 $1 206(2)9.6(14)1 313(3)107(2)
    $ \gamma_3 $1 266(2)6.6(10)2 144(3)876(3)
    $ \gamma_4 $1 463(2)20.5(31)1 570(3)107(2)
    $ \gamma_5 $2 037(2)19.5(44)2 144(3)107(2)
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    表  2  28S $ \beta $衰变布居能级的能量和分支比

    本次实验E /keV分支比$ I_{\beta} $/%NDS[36] E*/keV
    1 313(3)17.6(16)1 313(2)
    1 570(3)20.5(31)1 567(3)
    2 144(3)26.1(45)2 143(5)
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-28
  • 修回日期:  2021-02-05
  • 网络出版日期:  2021-07-22
  • 刊出日期:  2021-06-20

近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
    基金项目:  中国科学院战略性先导科技专项(B类)资助(XDB34000000);国家自然科学基金资助项目(12022501, U1932206, U1632136)
    作者简介:

    高祺锐(1996–),男,陕西汉中人,硕士研究生,从事原子核物理研究;E-mail:gaoqrpap@outlook.com

    通讯作者: 徐新星,E-mail:xinxing@impcas.ac.cn周小红,E-mail:zxh@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: O571.32

摘要: 在兰州重离子研究装置上,依托兰州放射性束流线,产生、分离和鉴别了同位旋第三分量$ T_{Z}=-2 $的近质子滴线核28S,并通过使用包括双面硅条探测器和高纯锗探测器在内的探测阵列,开展了28S的$\beta$延迟$\gamma$衰变测量。实验准确测量了28S衰变中的5条$\beta$延迟$\gamma$射线,得到了子核28P相应能级的能量。首次提取出了$\beta$衰变布居到28P低激发态的衰变分支比,并构筑了28S的全新部分衰变纲图。本工作为将来进一步比较28S和28Mg间的镜像不对称性提供了精确的实验数据。

English Abstract

高祺锐, 徐新星, 周小红, 孙立杰, 梁鹏飞, 刘嘉健, 林承键, 李晓菁, 李智焕, 吴鸿毅, 杨彦云, 王建松, 王东玺, 蓝乙华, 马朋, 段芳芳, 高志浩, 胡强, 白真, 马军兵, 王建国, 钟福鹏, 武晨光, 罗迪雯, 蒋颖, 刘洋, 侯东升, 李忍, 马南茹, 马维虎, 石国柱, 余功明, D.Patel, 金树亚, 王煜峰, 余悦超, 周清武, 王鹏, 胡力元, 王翔, 臧宏亮, 李朋杰, 朱浩钒, 林喆阳, 赵青青, 杨磊, 温培威, 杨峰, 贾会明, 张高龙, 潘敏, 汪小雨, 孙浩瀚, 胡正国, 陈若富, 柳敏良, 杨维青. 近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究[J]. 原子核物理评论, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
引用本文: 高祺锐, 徐新星, 周小红, 孙立杰, 梁鹏飞, 刘嘉健, 林承键, 李晓菁, 李智焕, 吴鸿毅, 杨彦云, 王建松, 王东玺, 蓝乙华, 马朋, 段芳芳, 高志浩, 胡强, 白真, 马军兵, 王建国, 钟福鹏, 武晨光, 罗迪雯, 蒋颖, 刘洋, 侯东升, 李忍, 马南茹, 马维虎, 石国柱, 余功明, D.Patel, 金树亚, 王煜峰, 余悦超, 周清武, 王鹏, 胡力元, 王翔, 臧宏亮, 李朋杰, 朱浩钒, 林喆阳, 赵青青, 杨磊, 温培威, 杨峰, 贾会明, 张高龙, 潘敏, 汪小雨, 孙浩瀚, 胡正国, 陈若富, 柳敏良, 杨维青. 近质子滴线核28S的${\beta }$延迟${\gamma }$衰变研究[J]. 原子核物理评论, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
Qirui GAO, Xinxing XU, Xiaohong ZHOU, Lijie SUN, Pengfei LIANG, Jiajian LIU, Chengjian LIN, Lee Jenny, Zhihuan LI, Hongyi WU, Yanyun YANG, Jiansong WANG, Dongxi WANG, Yihua LAN, Peng MA, Fangfang DUAN, Zhihao GAO, Qiang HU, Zhen BAI, Junbing MA, Jianguo WANG, Fupeng ZHONG, Chenguang WU, Diwen LUO, Yin JIANG, Yang LIU, Dongsheng HOU, Ren LI, Nanru MA, Weihu MA, Guozhu SHI, Gongming YU, Dipika Patel, Shuya JIN, Yufeng WANG, Yuechao YU, Qingwu ZHOU, Peng WANG, Liyuan HU, Xiang WANG, Hongliang ZANG, Pengjie LI, Haofan ZHU, Zheyang LIN, Qingqing ZHAO, Lei YANG, Peiwei WEN, Feng YANG, Huiming JIA, Gaolong ZHANG, Min PAN, Xiaoyu WANG, Haohan SUN, Zhengguo HU, Ruofu CHEN, Minliang LIU, Weiqing YANG. β-delayed γ Decay of the Nucleus 28S Near the Proton Drip-line[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
Citation: Qirui GAO, Xinxing XU, Xiaohong ZHOU, Lijie SUN, Pengfei LIANG, Jiajian LIU, Chengjian LIN, Lee Jenny, Zhihuan LI, Hongyi WU, Yanyun YANG, Jiansong WANG, Dongxi WANG, Yihua LAN, Peng MA, Fangfang DUAN, Zhihao GAO, Qiang HU, Zhen BAI, Junbing MA, Jianguo WANG, Fupeng ZHONG, Chenguang WU, Diwen LUO, Yin JIANG, Yang LIU, Dongsheng HOU, Ren LI, Nanru MA, Weihu MA, Guozhu SHI, Gongming YU, Dipika Patel, Shuya JIN, Yufeng WANG, Yuechao YU, Qingwu ZHOU, Peng WANG, Liyuan HU, Xiang WANG, Hongliang ZANG, Pengjie LI, Haofan ZHU, Zheyang LIN, Qingqing ZHAO, Lei YANG, Peiwei WEN, Feng YANG, Huiming JIA, Gaolong ZHANG, Min PAN, Xiaoyu WANG, Haohan SUN, Zhengguo HU, Ruofu CHEN, Minliang LIU, Weiqing YANG. β-delayed γ Decay of the Nucleus 28S Near the Proton Drip-line[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 117-122. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020084
    • 远离$ \beta $稳定线的奇特核性质研究是近几十年来国际核物理研究的一个前沿领域[1-3]。近滴线核具有奇特的衰变模式,拓广和深化了核物理研究的内容。在由稳定线向滴线靠近的过程中,这些具有极端中质比的近滴线核素,由于在衰变时母核与衰变子核在束缚能上的差别变大,会有很多在稳定线附近并不允许的衰变道打开,衰变模式逐渐由$ \beta $衰变倾向于$ \beta $缓发粒子衰变。实验已证实$ \beta $缓发中子发射[4]$ \beta $缓发单质子发射[5-10]$ \beta $缓发多质子发射[11-13]$ \beta $缓发$ \gamma $-质子发射[14]等衰变模式存在。$ \beta $缓发粒子衰变是一个两步过程:首先,母核发生慢$ \beta $衰变布居子核的激发态,然后快发射一个或者多个粒子。通过探测这些出射粒子,可以全面地描述一个核态的衰变特征[2]。因此,$ \beta $衰变谱学研究成为了获取滴线附近核结构信息的强有力的工具,感兴趣奇特核的能级能量、宽度、自旋、同位旋、能级密度等谱学信息可以从实验数据中提取出来。

      原子核是一个包含质子和中子这两种类型费米子的独特量子多体系统,质子与中子除电荷不同的特征外,基于强相互作用的电荷无关性假设,可以被认作为同一粒子。Heisenberg于1932年提出同位旋的概念来描述这种中子和质子间的变换不变性,所有的核子具有相同的同位旋$ t \!=\! 1/2 $,但质子和中子分别具有不同的同位旋第三分量$ t_z \!=\! -1/2 $$ t_z \!=\! 1/2 $。原子核的同位旋则可以通过质子和中子同位旋的“合成”得到。中子数和质子数交换后形成的核素互为镜像核。因核力近似具有电荷无关性,同位旋对称性这一概念能够很好地描述稳定线附近的镜像核间的各种现象。但当核素向滴线靠近的过程中,由于受质子间库仑相互作用及电荷相关核力的影响变强,会出现同位旋对称性破缺的情况。研究同位旋对称性和同位旋对称性的破缺,对进一步深入理解核力和核结构具有重要的意义。目前在$ sd $壳的镜像原子核间,已经发现不少同位旋对称性破缺现象[15-20]。因此,将高精确度的$ \beta $衰变测量推广到更多核素上去,可以更好地理解同位旋对称性破缺现象,从而在微观模型中更清楚地认识同位旋对称性破缺的机制[21-24]

      28S的同位旋第三分量$ T_{Z} \!=\! -2 $,是质子滴线内相当轻的硫的同位素。有关28S的$ \beta $衰变实验的报告仅有一篇,该实验由Pougheon等[25]在GANIL通过36Ar初级束轰击天然镍靶产生28S,然后使用6块硅探测器组成的探测阵列进行探测。其实验未使用测量$ \gamma $射线的探测器进行$ \beta $-$ \gamma $$ {\rm p} $-$ \gamma $符合测量,没有获得关于28S的准确$ \beta $延迟衰变质子发射衰变道的信息以及$ \beta $延迟衰变$ \gamma $发射的相关信息。为了获取28S $ \beta $延迟衰变中的$ \gamma $跃迁信息和得到$ \beta $衰变子核28P激发态的布居情况,探究在镜像核$ \rm ^{28}S \rightarrow{^{28}P} $$ \rm ^{28}Mg \rightarrow {^{28}Al} $的衰变中可能出现的同位旋对称性破缺,需要对实验技术做出进一步地改进,开展新的28S的$ \beta $延迟$ \gamma $衰变实验研究。

    • 本次实验于2017年11月在兰州重离子加速器国家实验室(HIRFL)[26]上完成,使用分离扇回旋加速器提供的流强约为100 enA、能量为80.6 MeV/u的$ \rm ^{32}S $初级束,通过轰击1 581 µm厚的9Be靶发生弹核碎裂反应来产生感兴趣的核素。反应后产生的碎片进入兰州放射性束流线(RIBLL-1)[27],使用磁钢度-能损-磁钢度($B_\rho$E-$ B_\rho $)的方式进行消色差选择和分离。实验所使用的探测技术在之前的文章中已有详细介绍[28-29]。次级束在穿过两块位于束流线上的塑料闪烁体T1、T2和硅探测阵列中的两块大面积四分硅探测器ΔE 1、ΔE 2后,可以获得飞行时间ToF(Time-of-Flight)和能损ΔE的信息,将其组合后得到ΔE-ToF二维鉴别图谱。参考LISE++程序[30]模拟的结果,对获得的ΔE-ToF图谱进行刻度,可以将目标核素28S从图1中清晰准确地分辨出来。实验使用两块大面积四分硅探测器来测量次级束中离子的能损信息,通过对两块硅探测器获得的时间和能量信号进行多重符合,减少了在实验中探测器由于损伤等原因对获取的数据造成的影响,使目标核素28S更加清晰可靠地与束流中其他污染核素区分开来。在最终得到的次级束中,28S的平均纯度为0.11%,平均强度为1.2 pps(particles per second)。

      图  1  (在线彩图)28S次级束ΔE-ToF二维鉴别图谱

      实验中所使用的探测阵列主要由双面硅条探测器DSSD(double-sided silicon strip detector)[31]、大面积四分硅探测器QSD(quadrant silicon detector)[32]和Clover型高纯锗探测器(Clover-type high-purity germanium detector)组成,图2是探测阵列的示意图。次级束中的目标核28S,在穿过两块用于探测能损的大面积四分硅探测器(ΔE 1、ΔE 2)后,按照一定比例注入到厚度分别为142 μm的DSSD1、40 μm的DSSD2和304 μm的DSSD3中发生衰变并被探测。在硅探测阵列前方安置了3组共9块不同厚度的铝降能片,由步进电机驱动控制其厚度,来达到将目标核的能量下降到合适程度的目的。每块DSSD在正反两面各划分为16条,一面沿$ X $轴排列一面沿$ Y $轴排列,这使得组成的每一组$ X $-$ Y $像素格都可以被看做一个探测单元。所以,即使在此次实验中连续束模式的高注入率下,每个单元格内的注入事件率仍可以保持较低的水平,从而能够准确地获取到注入重离子和产生的带电粒子的位置信息和时间信息。再通过关联每一个注入事件和衰变事件的信号,能够将实验中位置和时间不合理的干扰信号筛除。顺着束流前进的方向,在DSSD3后设置了一块厚度为1 546 μm的大面积四分硅探测器QSD1。由于QSD1拥有足够的厚度,衰变产生的$ \beta $粒子在其中的能损足够大,能够被有效地探测。QSD1也兼具了探测穿过DSSD3的重离子和从DSSD3后表面逃逸的$ \beta $缓发粒子的功能。在由弹核碎裂反应产生的次级束中,存在着诸如1H、2H、3H、4He等轻离子,其在探测范围约百兆电子伏特的ΔE探测器中能量损失太小而无法分辨。因此,在束流最下游设置了两块厚度约为300 μm的大面积四分硅探测器QSD2和QSD3,来对这些束流中的轻离子进行反符合测量,以减少它们带来的干扰。在硅探测器阵列的周围,环绕布置了5个Clover型的高纯锗探测器,用以探测原子核激发态退激产生的$ \gamma $射线。

      图  2  (在线彩图)探测阵列示意图

      整个探测阵列在连续束模式下工作,总计有效时间约17 h。使用32S初级束轰击9Be靶发生弹核碎裂反应,然后通过RIBLL-1消色差分离选择次级束。在经过220 μm厚的铝降能片后,目标核28S恰好阻止在三块双面硅条探测器中(DSSD1、DSSD2、DSSD3)。其中共48 108个目标核28S,占注入重离子总数的83.4%,被阻停在DSSD3的前表面附近。由于DSSD2厚度仅有40 μm,对$ \beta $粒子的探测效率极低,并不适合用其与$ \gamma $射线进行符合,故数据分析主要以DSSD3上获取的信号为主。注入DSSD的28S从基态发生$ \beta $衰变布居28P的激发态,然后发射质子或发射$ \gamma $射线退激,退激过程中产生的$ \gamma $射线将被放置在硅探测阵列周围的高纯锗探测器同时测量。

    • 选用60Co、137Cs、133Ba和152Eu四个标准放射源对高纯锗探测器进行能量刻度。同时,选取次级束流中有较高统计量且有可靠文献数据的25Si、26P和22Al三个核作为内放射源,选用了它们在$ \beta $延迟$ \gamma $衰变中绝对强度较高的9个$ \gamma $跃迁,对$ \beta $延迟$ \gamma $射线的绝对探测效率进行了刻度[29]。具体选用了四个来自25Si的$ \beta $延迟$ \gamma $跃迁,其能量和相应的绝对强度为452 keV [18.4(42)%]、493 keV [15.3(34)%]、945 keV [10.4(23)%]和1 612 keV [15.2(32)%][33],两个来自26P的988 keV [5.7(3)%]和1 796 keV [58(3)%]的$ \beta $延迟$ \gamma $跃迁[19],以及三个来自22Al的1 248.5(20) keV [38.2(69)%]、1 985.6(13) keV [31.1(54)%]、2 062.3(15) keV [34.1(58)%]的$ \beta $延迟$ \gamma $跃迁[34]

    • 将高纯锗探测器探测到的$ \gamma $射线与DSSD3内28S衰变发射的$ \beta $粒子进行符合,最终得到的$ \beta $延迟$ \gamma $射线谱如图3所示,这是首次获得的28S的$ \beta $延迟$ \gamma $射线谱。图中共有10个$ \gamma $峰可以被清晰地分辨,每个峰的中心能量值标注在上方,单位为keV。其中,三个没有以$ \gamma $符号标记的峰分别是已知的能量为511 keV的正负电子湮灭峰以及两个污染$ \gamma $峰。从图1中可以看见,在通过RIBLL-1分离后的次级束中,同时存在着27P、26Si、25Al、24Mg等核素。其中统计量高过目标核28S百倍的26Si,在发生$ \beta $衰变布居26Al的1 057.7 keV激发能级后,退激产生了能量为827 keV的$ \gamma $射线[35],该$ \gamma $跃迁表现为一个污染峰出现在谱中。而另一个具有很高统计的中心能量为1 779 keV的污染$ \gamma $峰,对应28Si 1 779 keV的第一激发态退激到基态的$ \gamma $跃迁,它由目标核28S衰变到子核28P后,再次发生$ \beta $衰变到28Si后产生[36]

      图  3  28S $ \beta $延迟$ \gamma $射线谱

      图3中以$ \gamma $符号标注的中心能量值分别为107, 435, 769, 1 206, 1 266, 1 463, 2 037 keV的$ \gamma $峰对应7条$ \gamma $射线,由衰变子核28P的激发态退激产生。由于统计数量较少,且每个Clover型高纯锗探测器的绝对探测效率极低,并没有进行$ \gamma $-$ \gamma $的符合分析。但是发生$ \beta $延迟$ \gamma $衰变的质子束缚态,通常是能量相对较低的激发态,且Clover型高纯锗探测器具有极高的分辨率,每条$ \gamma $射线的跃迁过程可以参考已知的28P的能级纲图得到[36]。确定各个$ \gamma $射线的发射能级后,再对比理论计算结果,得到能量为107(2) keV和769(2) keV的$ \gamma $射线由级联发射产生。107 keV的$ \gamma $射线由28P的107(2) keV第一激发态退激到基态产生,769 keV的$ \gamma $射线由28P的876(3) keV第二激发态退激到107(2) keV的第一激发态产生。$ \gamma_{1-5} $是五条$ \beta $延迟$ \gamma $射线,均由28S发生$ \beta $延迟衰变布居28P的激发态后退激产生。

      各个$ \gamma $跃迁的绝对强度$ I_{\gamma} $可以用下式算出:

      $$ I_{\gamma} = \frac{N_{\gamma}}{N_{\rm impl} \cdot \varepsilon_{\beta\gamma}},$$ (1)

      式中$ N_{\gamma} $为对应$ \beta $延迟$ \gamma $射线的统计数量。$ N_{\rm impl} $是注入DSSD3的重离子总数。$ \varepsilon_{\beta\gamma} $则是$ \beta $延迟$ \gamma $射线的绝对探测效率,该绝对探测效率等同于双面硅条探测器对$ \beta $粒子的探测效率乘以高纯锗探测器对$ \gamma $射线的绝对探测效率。在整个分析过程中,能量和绝对强度的误差均是按照标准不确定度传递公式,考虑了由分析程序在拟合中给出的统计误差以及整个实验过程中所包含的系统误差,最终给出了对应的结果。所有$ \beta $延迟$ \gamma $射线的能量($ E_{\gamma} $)、绝对强度($ I_{\gamma} $)和$ \gamma $跃迁的初末态能级,以及对应的误差范围均列在表1中。

      表 1  28S $ \beta $延迟$ \gamma $射线的能量、绝对强度和初末态能级

      $ \gamma $峰能量
      $ E_{\gamma} $/keV
      绝对强度
      $ I_{\gamma} $/%
      初态能级
      $ E^*_{\rm i} $/keV
      末态能级
      $ E^*_{\rm f} $/keV
      $ \gamma_1 $435(2)8.0(8)1 313(3)876(3)
      $ \gamma_2 $1 206(2)9.6(14)1 313(3)107(2)
      $ \gamma_3 $1 266(2)6.6(10)2 144(3)876(3)
      $ \gamma_4 $1 463(2)20.5(31)1 570(3)107(2)
      $ \gamma_5 $2 037(2)19.5(44)2 144(3)107(2)
    • 提取实验测量得到的$ \gamma $射线的能量、绝对强度和初末态能级等信息,可以获得28P衰变布居能级的能量和$ \beta $衰变分支比,其数据结果见表228S衰变布居到28P的2 144(3) keV激发能级的$ \beta $衰变分支比为26.1 (45)%,由该能级退激产生的能量为1 266 和2 037 keV的两个$ \gamma $跃迁的绝对强度相加给出。该激发能级的能量值,可以选择2 037 和107 keV $ \gamma $跃迁的组合或是1 266 , 769和107 keV $ \gamma $跃迁的组合给出,在考虑相对强度的大小和级联发射关系后,选择第一个组合以相加的方式计算得到2 144(3) keV的结果。28S衰变布居到28P的1 570(3) keV激发能级的$ \beta $衰变分支比为20.5 (31)%,由1 463 keV的$ \gamma $跃迁给出。该激发能级的能量值则是通过1 463 和107 keV的$ \gamma $跃迁计算所得。能量为435 和1 206 keV的两条$ \gamma $射线由28S衰变布居到28P的1 313(3) keV激发能级退激产生,故考虑这两条$ \gamma $射线的绝对强度,得到该激发能级的分支比为17.6 (16)%,激发能级的能量值则是由1 206 和107 keV的$ \gamma $跃迁计算给出。选择1 206 而非435 keV的$ \gamma $跃迁进行计算,同样是考虑了其较简单的退激过程,并且都同样参考了28P的107 keV第一激发态的能量值。分析结果给出的所有激发能级的能量和分支比的误差范围,均按照标准不确定度传递公式传递得到。对比此结果中的28P各能级的能量值与表2中Nuclear Data Sheets(NDS)[36]给出的结果,其数值在误差范围内是一致的。

      表 2  28S $ \beta $衰变布居能级的能量和分支比

      本次实验E /keV分支比$ I_{\beta} $/%NDS[36] E*/keV
      1 313(3)17.6(16)1 313(2)
      1 570(3)20.5(31)1 567(3)
      2 144(3)26.1(45)2 143(5)

      依据壳模型计算结果,位于$ 0^+ $基态的28S发生$ \beta $延迟$ \gamma $衰变后,将主要布居到28P的$ 1^+ $激发态上。通过所获得的数据结果,最终推得28S发生$ \beta $延迟$ \gamma $衰变并布居到28P低激发态的部分衰变纲图如图4所示。图中,5条$ \beta $延迟$ \gamma $射线用蓝色箭头线表示,2条级联发射的$ \gamma $射线则用紫色箭头线表示,$ Q_{\mathrm{EC}} \!=\! 11\,221(160) $ keV的结果参考AME2016[37]给出。

      图  4  (在线彩图)28S部分衰变纲图

    • 依托兰州重离子加速器国家实验室的兰州放射性束流线,完成了近质子滴线核28S的$ \beta $延迟$ \gamma $衰变研究。本次实验使用由QSD及DSSD组成的硅探测阵列和Clover型高纯锗探测器,在连续束的高注入条件下,准确地对每个注入和衰变事件之间建立了关联。首次研究了28S的$ \beta $延迟$ \gamma $衰变,获得并指认了5个来自28S $ \beta $延迟衰变布居能级的$ \gamma $跃迁,并给出了这些来自质子束缚态的$ \gamma $跃迁的绝对强度。进一步得到了28S $ \beta $衰变布居至28P的激发态能级的信息,获得了3个28S $ \beta $衰变到28P激发态的分支比,其能量和对应分支比分别为1 313(3) keV [17.6(16)%]、1 570(3) keV [20.5(31)%]和2 144(3) keV [26.1(45)%]。最后,根据实验获得的数据结果给出了28S的部分$ \beta $衰变纲图。此次实验的结果与之前的研究工作符合很好并得到了全新的内容,在未来可以进一步和理论计算结果相结合,探索28S与其镜像核28Mg之间的同位旋对称性破缺现象,构建更加完整的28S的衰变纲图。

参考文献 (37)

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